Термограммы в комнатных условиях

Бриллианты

Если в комнатных условиях отсутствуют явные источники тепла и холода, то температуры объектов в помещении будут примерно одинаковыми из-за ряда факторов:

В помещении происходит теплообмен между объектами и окружающей средой. В отсутствие явных источников тепла и холода, теплоизлучение и конвекция будут стремиться к равновесию, что приведет к сравнительно одинаковым температурам объектов.

Если объекты сделаны из материалов с похожей теплопроводностью, то тепло будет равномерно распределяться между ними. Это также способствует снижению разницы в температурах объектов. Но даже объекты с большой разницей в теплопроводности в конечном итоге при комнатных условиях станут близкими по температуре.

Согласно закону сохранения энергии, в отсутствие внешних источников тепла или холода, суммарное количество тепла в системе будет постоянным. Поэтому температуры объектов будут стремиться к установлению равновесия и близки друг к другу.

В отсутствие источников тепла и холода, а также воздействия внешних факторов, таких как солнечное излучение, ветер или приток свежего воздуха, нет причин для изменения температуры объектов.

Таким образом, если в комнатных условиях отсутствуют явные источники тепла и холода, то температуры объектов в помещении будут практически не отличаться друг от друга из-за равновесия теплообмена с окружающей средой, закона сохранения энергии и отсутствия внешних факторов, способных изменить температуру в помещении.

В комнатных условиях проводился эксперимент, в котором два золотых кольца с бриллиантами (рисунок 3) обдувались вентилятором Tidar, работающим от постоянного тока на 12В, 0,28А с размерами 120х120 мм и толщиной 25 мм, мощностью – 3,36 Вт, скоростью вращения – 2200 об/мин, производительностью – 2,26 м³/мин. Инфракрасная картинка создавалась тепловизором Testo 875. На термограмме (рисунок 3) видим, что температура бриллиантов под потоком воздуха из вентилятора снизилась до 20,6 ^оС, а максимальная температура 29 ^оС была у решетки вентилятора. На рисунке 4 показан температурный профиль Р1 проходящий по термограмме (рисунок 3). Данный эксперимент показывает, что алмазы, имеющие большую теплопроводность, хорошо охлаждаются и приобретают наименьшую температуру в области обдува вентилятором. В последующих экспериментах в комнатных условиях использовался тепловизор Testo 875.

Рисунок 3. Золотые кольца с бриллиантами, обдуваемые в комнатных условиях вентилятором.

Рисунок 4. Температурный профиль P1 по термограмме, показанной на рисунке 3.

Бриллианты и фианиты

В следующем эксперименте были сняты в инфракрасном спектре фианиты и бриллиант (рисунок 5) при естественном слабом конвективном потоке воздуха. На рисунке 6 показан температурный профиль Р1 термограммы (рисунок 5). По данной термической картинке видно, что бриллиант имеет наименьшую температуру по сравнению с фианитами, а также не однороден по температуре. Любой фианит имеет практически одну и туже температуру по всему его объему и поверхности.

Рисунок 5. Фианиты и бриллиант.

Рисунок 6. Температурный профиль Р1 по термограмме, показанной на рисунке 5.

Проведенные эксперименты показали, что в комнатных условиях надо применять более радикальное охлаждение или одновременный нагрев и охлаждение, чтобы получать существенное отличие температур изучаемых объектов.

Медные цилиндры

Термограмма двух медных цилиндров, лежащих на подоконнике и обдуваемых уличным воздухом из приоткрытого окна, представлена на рисунке 7. На рисунке 8 представлен температурный профиль Р1 термограммы (рисунок 7). Данный эксперимент показывает, что медь, имеющая значительную теплопроводность (394 Вт/(м·К), также хорошо охлаждается и приобретает наименьшую температуру в определенных местах своей поверхности.

Рисунок 7. Термограмма двух медных цилиндров.

Рисунок 8. Температурный профиль Р1 по термограмме, показанной на рисунке 7.

Фианиты и бриллианты на элементе Пельтье

В последующих экспериментах был выбран одновременный нагрев и охлаждение. Нагрев осуществлялся элементом Пельтье, охлаждение с помощью вентилятора Tidar. На рисунке 9 показана термограмма бриллианта (0,2 карата), лежащего на разогретом до 84,7 ^оС элементе Пельтье и охлаждаемого потоком комнатного воздуха (температура 22 ^оС) из вентилятора. Разница максимальной температуры подложки и минимальной бриллианта в данном случае составляет более 45 ^оС.

На рисунке 10 показан температурный профиль Р1 термограммы (рисунок 9). Из данного эксперимента можно заключить, что алмаз, обладающий высокой теплопроводностью и лежащий на значительно разогретой поверхности, можно охладить слабым воздушным потоком на десятки градусов Цельсия ниже этой поверхности. Отметим также, что бриллиант имеет неодинаковую температуру по его поверхности. Это объясняется тем, что бриллиант имеет ряд различных включений и дислокаций кристалла. Практически более 90% природных алмазов имеют примеси азота. Кроме того, у природных алмазов можно обнаружить графитовые прожилки и включения почти всех элементов таблицы Менделеева. Все эти примеси и дислокации кристалла существенно влияют на теплопроводность, что и определяет неравномерное распределение температуры по объему углеродного кристалла. По температурному профилю Р1 (рисунок 10) термограммы (рисунок 9) видно, что температура некоторых участков бриллианта отличается от других на более три десятка градусов Цельсия.

Рисунок 9. Термограмма бриллианта, лежащего на элементе Пельтье и охлаждаемого вентилятором

Рисунок 10. Температурный профиль Р1 по термограмме, показанной на рисунке 9.

Во втором эксперименте по одновременному нагреву на элементе Пельтье и охлаждению с помощью вентилятора Tidar, использовался близкий по крупности и огранки к вышеприведенному бриллианту фианит (диоксид циркония ZrO₂). В результате такого теплофизического воздействия была получена термограмма (рисунок 11), из которой видно, что фианит приобретает почти одноцветную окраску в выбранной палитре представления ИК-картинки. Данная почти одноцветность фианита показывает, что температура по его объему находится в узком диапазоне значений.

Температурный профиль Р1, проведенный по термограмме (рисунок 11) и показанный на рисунке 12, подтверждает вывод о том, что такое воздействие на фианит приводит к температуре в точках его объема, распределенной в узком диапазоне.

Такой теплофизический эксперимент с фианитом приводит его к более высокой температуре по сравнению с бриллиантом в предыдущем эксперименте.

Рисунок 11. Термограмма фианита, лежащего на элементе Пельтье.

Рисунок 12. Температурный профиль Р1 по термограмме, показанной на рисунке11.

Исходя из двух предыдущих был сделан третий эксперимент, в котором одномоментный нагрев на элементе Пельтье и охлаждение вентилятором Tidar проводились одновременно для бриллианта и фианита. В результате эксперимента была получена термограмма (рисунок 13). Данная термограмма по диапазону температур и по цветовой окраске практически полностью совпадает с предыдущими экспериментами с одиночными камнями.

Температурный профиль Р1 (рисунок 14) термограммы (рисунок 13) по конфигурации графически: во-первых, является некоторым зеркальным отражением температурного профиля Р1 (рисунок 10) термограммы бриллианта (рисунок 9) и температуры практически те же, во-вторых, температурный профиль у фианита близок к температурному профилю, когда производилась съемка только одного фианита (рисунок 11).

Проделанные эксперименты с бриллиантом и фианитом показывают, что одновременный нагрев и охлаждения дают существенную повторяемость полученных конечных параметров ИК-картинки. Алмаз, обладающий во много раз большей теплопроводностью, при таком нагреве и охлаждении всегда оказывается значительно более холодным. Очевидно, что если таким образом путем одновременного нагрева и охлаждения сравним алмаз с другими минералами (не металлы), то алмаз также окажется с минимальной температурой или с максимальной температурой.

Также отметим, что удельная теплоемкость фианита 400 Дж/(кг·К), а у алмаза – 502 Дж/ (кг·К), но у фианита почти в два раза большая плотность, которая не способствует более лучшему охлаждению его по сравнению с алмазом (бриллиантом). Крупность камней была одинаковая, т.е. их объем,форма, огранка и т.п.

Окончательно можно сказать, что в данном охлаждении и нагреве главную роль сыграли одинаковая крупность, теплопроводность и плотность камней.

Рисунок 13. Термограмма фианита и бриллианта, лежащих на элементе Пельтье.

Рисунок 14. Температурный профиль Р1 по термограмме, показанной на рисунке 13.

Медные частицы и галька

Далее будут приведены эксперименты с металлами и алмазами при некоторых комнатных условиях, когда производиться только охлаждение с помощью обдува воздухом.

Медные частицы и галька располагались на бумажной подложке в комнатных условиях и обдувались вентилятором Tidar. Была произведена съемка тепловизором Testo 875 и была получена термограмма (рисунок 15). В результате медные частицы (голубые) оказались более охлажденными по сравнению с галькой (красно-оранжевая) и бумагой (желтая). На рисунке 16 показаны медные частицы и галька в видимом диапазоне электромагнитных волн.

Эксперимент показал, что даже простой обдув с помощью вентилятора приводит к четкому визуальному разделению теплопроводных частиц меди от менее теплопроводных частиц гальки. Следует сказать, что уже такая разница в температурах позволит эффективно сортировать какую-либо породу.

Рисунок 15. Термограмма гальки (красно-оранжевая) и медных частиц (голубые), лежащих на бумажной подложке (желтая) и обдуваемых вентилятором.

Рисунок 16. Галька и медные частицы в видимом диапазоне электромагнитных волн, термограмма которых показана на рисунке 15.

Золотое кольцо и кимберлитовый песок

Проводился эксперимент на подоконнике, на котором лежала чашка Петри с кимберлитовым песком, галькой и утопленным в песок золотым кольцом с бриллиантом. Бриллиант был немного выше (1 мм) поверхности кимберлитового песка. В результате обдува вентилятором Tidar холодным воздухом (-10 ^оС) из окна средняя температура бриллианта стала около -9 ^оС, а все остальные минеральные частицы были с более высокой температурой. Данный эксперимент показал, что значительное охлаждение дает более четкое визуальное выделения теплопроводного объекта на ИК-картинке.

Рисунок 17. Термограмма стеклянной чашки с кимберлитовым песком, галькой и утопленным в песок золотым кольцом с бриллиантом, обдуваемые вентилятором холодным воздухом из окна.

Кварцевый песок и алмазный песок

В эксперименте две одинаковые (близкие по объему) навески кварцевого песка (0,5 мм) и мелких алмазов (0,5 мм) располагались тонкими слоями на подоконнике (рисунок 19) и обдувались вялым потоком воздуха (11 ^оС) из окна с улицы. Производилась съемка тепловизором Testo 875. Была получена термограмма (рисунок 18).

Полученная ИК-картинка показывает, что алмазная навеска охладилась до 13,5 ^оС и явно отличается в представленной палитре: алмазы – фиолетово синие, а подоконник и кварцевый песок – оранжево-красные.

Алмазный песок, не смотря на наличие воздушных прослоек в нём, характеризуется более высокой теплопроводностью по сравнению с кварцевым песком. Воздушные прослойки между частиц алмазного песка снижают теплопроводность, но не на столько, чтобы теплопроводность алмазного песка стала близкой к теплопроводности кварцевого песка и подоконника.

Поскольку алмазный песок обладает высокой теплопроводностью, он быстрее и эффективнее отводит тепло при обдуве воздухом, чем кварцевый песок и подоконник.

Это приводит к более сильному охлаждению алмазного песка и, следовательно, к его минимальной температуре в 13,5°C.

Кварцевый песок и подоконник обладают более низкой теплопроводностью по сравнению с алмазным песком.

Из-за более низкой теплопроводности, кварцевый песок и подоконник менее эффективно отводят тепло при обдуве потоком воздуха.

Это приводит к меньшему изменению их температур, чем у алмазного песка, и к более высокой температуре в 19,5°C.

Таким образом, разные теплофизические свойства материалов (теплопроводность) приводят к различиям в изменении температуры объектов при обдуве потоком воздуха. Результирующие температуры объясняются разной способностью материалов отводить тепло и реагировать на воздействие внешних факторов.

Когда материалы имеют различные теплоемкости, процесс охлаждения или нагревания объектов при обдуве потоком воздуха становится более сложным и требует дополнительных объяснений.

Рассмотрим влияние теплоемкости на нагрев и охлаждение исследуемых минералов.

Теплоемкость материала определяет количество теплоты, необходимое для изменения его температуры на один градус Цельсия. Минералы с более высокой теплоемкостью требуют большего количества тепла для нагревания и, наоборот, отдают большее количество тепла при охлаждении.

В процессе охлаждения более низкая теплоемкость алмазного песка, равная 502 Дж/(кг·К), означает, что он будет обладать меньшим запасом тепла и будет охлаждаться быстрее при обдуве воздухом.