Охота на самородки

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.

Кварцевый песок и подоконник, с более высокой тепловой емкостью (теплоёмкость кварца=750 Дж/ (кг·К)), охлаждаются медленнее при обдуве воздухом из-за большего количества теплоты, которое им необходимо отдать для снижения температуры.

Это может привести к более высокой температуре кварцевого песка и подоконника (19,5°C), по сравнению с алмазным песком (13,5°C), который остается более холодным из-за более низкой теплоемкости.

Из-за различий в теплоемкости материалов, процесс охлаждения при обдуве потоком воздуха приводит к неравномерному уменьшению температуры объектов.

Материалы с более высокой теплоемкостью могут сохранять более высокую температуру дольше, чем объекты с более низкой теплоемкостью.

Таким образом, различия в теплоемкости материалов приводят к неравномерному охлаждению объектов при обдуве потоком воздуха, и более высокая теплоемкость может привести к сохранению более высокой температуры объектов в процессе охлаждения.

Рассмотрим влияние отношения поверхности к объему исследуемого объекта на нагрев и охлаждение.

Да, отношение поверхности охлаждаемой частицы к ее объему может повлиять на процесс охлаждения. Этот параметр называется поверхностно-объемный коэффициент (отношение поверхности к объему) и может иметь важное значение при охлаждении или нагревании объектов. Влияние этого коэффициента на процесс охлаждения в вашем случае можно объяснить следующим образом.

У частиц с большим отношением поверхности к объему (например, минералы, которые обычно имеет более сложную и многоугольную структуру, чем кварцевый песок) имеется большая поверхность, через которую может осуществляться теплообмен с окружающей средой.

Благодаря более большой поверхности, охлаждение объекта происходит быстрее за счет увеличенной площади контакта с воздухом.

У частиц с меньшим отношением поверхности к объему (например, кварцевый песок, состоящий из шарообразных частиц) поверхность, через которую может происходить теплообмен, ограничена. Из-за более маленькой поверхности для теплообмена, процесс охлаждения может занимать больше времени, так как ограничены контактные поверхности с окружающим воздухом.

Таким образом, поверхностно-объемный коэффициент оказывает влияние на процесс охлаждения объектов, где объекты с более высоким отношением поверхности к объему могут охлаждаться быстрее из-за более эффективного теплообмена с окружающим воздухом, в то время как объекты с меньшим отношением поверхности к объему могут охлаждаться медленнее из-за ограниченного контакта с воздухом.

Рисунок 18. Термограмма двух навесок: кварцевого песка (0,5 мм) и алмазного песка (0,5 мм), лежащих на подоконнике слева на право соответственно и обдуваемых воздушным потоком из окна.

Рисунок 19. Кварцевый песок (слева) и алмазный песок(справа) в видимом диапазоне электромагнитных волн, термограмма которых показана рисунке 18.

Кимберлитовый песок и алмазный песок

Если распознавать алмазы в реальных условиях, то следует их сравнить по охлаждению с кимберлитом. Для этого был проведен следующий эксперимент. Как и в предыдущем эксперименте сравнивались две одинаковые (близкие по объему) навески: кимберлитовый безалмазный песок (средний размер 0,5 мм) и навеска мелких алмазов (0,5 мм).

Навески, лежащие тонкими слоями на бумажной подложке (книга) на подоконнике, обдувались потеком воздуха (20 оС) из окна с улицы. Производилась съемка тепловизором Testo 875. Была получена термограмма (рисунок 20). На рисунке 21 навески показаны в видимом диапазоне электромагнитных волн.

Как и в предыдущем эксперименте алмазы оказались более холодными (минимальная температура 19,8 оС), а кимберлитовый песок, имеющий удельную теплоемкость 800 Дж/ (кг·К) и низкую теплопроводность был с температурой чуть ниже комнатной (24 оС).

Рисунок 20. Термограмма кимберлитового безалмазного песка (лежит слева) и мелких алмазов (справа), лежащий на бумажной подложке и обдуваемых воздухом из окна.

Рисунок 21. Кимберлитовый безалмазный песок (почти черный) и мелкие алмазы (белые) в видимом диапазоне электромагнитных волн, термограмма которых показана рисунке 20.

Медные частицы и галька

Приведем эксперимент, в котором моделируется некоторый естественный момент одновременного нагрева и охлаждения.

На рисунке 22 представлена термограмма тех же частиц речной гальки (светлые) и медных частиц (темные), нагретые естественным образом при комнатной температуре 37°C, в открытой стеклянной чашке Петри. Чашку Петри разместили на алюминиевую пластину со средней температурой равной – 9°C для имитации природных условий в весенний период, когда грунт проморожен, а температура воздуха высокая. На данной фотографии медные частицы и речная галька явно отличаются по цвету и температуре. Через 7 секунд средняя температура гальки установилась около 29°C, а медных частиц – средняя температура 9,9°C. Данный пример наиболее информативный для осуществления заявляемого способа при различных естественных условиях. Для каждой показанной на фотографии частицы приведена ее средняя температура. Например, средняя температура самой крупной частицы гальки равна 36,6°C, а температура самой мелкой частицы равна 21,5°C. У самой крупной медной частицы средняя температура равна 14,6°C, а у самой мелкой медной частицы средняя температура равна 4,6°C. Крупные частицы имеют меньшее отношение площади поверхности к объему, что способствует более медленному их охлаждению. Такой разброс температур показывает то, что, во-первых, для частиц более близких по своим теплофизическим свойствам следует предварительно сортировать исходную породу по крупности, по форме и другим геометрическим параметрам, во-вторых, различие исходных частиц по крупности не будет влиять на выявление минеральных частиц, имеющих значительные отличия по теплофизическим свойствам от другой породы. В данном примере медные частицы, имеющие существенные отличия теплофизических свойств по сравнению с речной галькой легко можно отделить от пустой породы. Поскольку медь по сравнению с речной галькой имеет очень высокую теплопроводность и низкую теплоемкость. Удельная теплоемкость меди равна 0,385 кДж/(кг⋅К), а удельная теплоемкость данной речной гальки равна 0,7-0,9 кДж/(кг⋅К). Теплопроводность меди равна 401 Вт/(м⋅К), а тепловодность данной речной гальки 2-4 Вт/(м⋅К). Для алмазов аналогичная разница температур с пустой породой на фотографиях, полученных в инфракрасном диапазоне электромагнитных волн, будет более значительной, так как теплопроводность алмаза равна 1000-2600 Вт/(м⋅К) при удельной его теплоемкости равной 0,502 кДж/(кг⋅К).

На рисунке 23 показаны медные частицы и галька в видимом диапазоне электромагнитных волн,

Данный эксперимент еще раз показал, что в основном на температуру объектов, подвергающихся процессу одновременного нагрева и охлаждения, в основном определяется теплопроводностью, теплоемкостью, отношением поверхности к объему и плотностью этих объектов,

Рисунок 22. Термограмма медных частиц (серые) и гальки (белая) в нагретой чашке Петри (37°C), и расположенной на алюминиевой пластине (-9 оС)

Рисунок 23. Медные частицы и галька в видимом диапазоне электромагнитных волн, термограмма которых показана на рисунке 22.

При теплофизическом воздействии на объекты с высокой и низкой теплопроводностью возможны ситуации, когда объект с высокой теплопроводностью может иметь как наибольшую, так и наименьшую температуру по сравнению с объектами с низкой теплопроводностью. Рассмотрим возможные сценарии и причины подобных результатов:

1. Объект с высокой теплопроводностью имеет наибольшую температуру:

– Высокая теплопроводность позволяет объекту эффективно распределять и отводить тепло от точки воздействия.

– В результате объект с высокой теплопроводностью может быстро перераспределить тепло по всему объему и быстрее нагреться, достигая более высокой температуры, чем объекты с низкой теплопроводностью.

2. Объект с высокой теплопроводностью имеет наименьшую температуру:

– Высокая теплопроводность также может обеспечить эффективное отвод тепла от объекта, что может привести к более быстрому охлаждению при воздействии холода.

– В результате объект с высокой теплопроводностью может быстрее остыть и иметь наименьшую температуру по сравнению с объектами с низкой теплопроводностью.

Таким образом, при воздействии тепла или холода на объекты с разной теплопроводностью, результаты могут быть различными. Высокая теплопроводность может приводить как к быстрому нагреванию и наивысшей температуре, так и к быстрому охлаждению и наименьшей температуре, в зависимости от условий и свойств материалов.

Алмаз и камни пустой породы

В предыдущих экспериментах сравнивались при одновременном нагреве и охлаждении бриллиант с фианитом, мелкие алмазы с кварцевым и кимберлитовым песками. Поэтому, возник вопрос: как поведет себя алмаз при легком охлаждении воздушным потоком по сравнению с крупными частицами пустой породы? Для этого алмаз (1 карат) разместили среди камней пустой породы на подоконнике, который первоначально обдувался из вентилятора при закрытом окне, а потом при выключенном вентиляторе потоком воздуха с улицы из открытого окна.

В результате в начале эксперимента при работающем вентиляторе и закрытом окне была получена следующая термограмма (рисунок 24). При таком обдуве вентилятором при закрытом окне оказалось, что алмаз стал более нагретым по сравнению с подоконником и камнями пустой породы, лежащими на нём.

На рисунке 25 показан температурный профиль Р1 термограммы (рисунок 24), по которому явно видно существенное отличие температуры (максимум 28,4 оС) нагретого воздушным потоком из вентилятора алмаза от температур подоконника и камней пустой породы. Следует отметить, что температуры подоконника и камней пустой породы расположены в узком диапазоне (интервал температур около 1 градуса Цельсия, минимум 24,8 оС), так как имеют близкие показатели по теплопроводности. В тоже время разброс температур алмаза существенно больше 1 градуса Цельсия. Последнее говорит о том, что разные части алмаза существенно отличаются по теплопроводности, так как алмаз имеет примеси, включения других химических элементов и нарушения в кристаллической решётке.

Следующая термограмма (рисунок 26) была получена через 2 минуты после одновременного открытия окна и отключения вентилятора. На рисунке 27 показан температурный профиль Р1 термограммы (рисунок 26). Данная термограмма и температурный профиль показывают, что алмаз начал охлаждаться от потока воздуха с улицы (максимум 27 оС), а температура подоконника и камней пустой породы повышаться (минимум 25,1 оС).

Через 15 минут была получена термограмма (рисунок 27). На рисунке 28 показан температурный профиль термограммы (рисунок 27). Из термограммы видно, что алмаз, имеющий значительную теплопроводность и меньшую теплоемкость по сравнению с камнями пустой породы, значительно охладился и его минимальная температура стала на 6 градусов Цельсия меньше максимальной температуры камней пустой породы.

Надо отметить, что часть камней породы были крупнее алмаза, а часть близкие по крупности и более мелкие. Но, не смотря такой разброс в крупности камней пустой породы, температура этих камней была в достаточно узком диапазоне со средней температурой 24,5 оС.

Полученная последняя термограмма (рисунок 27) практически не изменялась, не считая нескольких десятых одного градуса Цельсия, на протяжении достаточного количества минут. Данная стабильность теплофизического воздействия на алмаз и камни пустой породы определяется неизменными погодными условиями в течение данного промежутка времени.

При стабильной погоде, когда температура, влажность и скорость ветра остаются постоянными, термограммы, отображающие распределение тепла на поверхности земли, будут практически одинаковыми. Это связано с тем, что стабильные условия погоды не создают значительных изменений в температуре окружающей среды, что, в свою очередь, приводит к однотипным термограммам. Это свойство можно использовать для распознавания и сортировки породы на разрабатываемом месторождении по следующим причинам:

1. Единообразие термограмм. При стабильных погодных условиях прогрев и остывание поверхности земли ведут к постоянным термограммам без резких изменений. Это означает, что породы с различными тепловыми характеристиками будут иметь схожие термограммы, что облегчает их сравнение и распознавание.