Über den Wärmetransport von Karbonaten: Untersuchungen der Temperaturleitfähigkeit wasserfreier Karbonaten

Abstract

Mit der vorliegenden Arbeit ist es gelungen, einen Datensatz der anisotropen Wärmetransporteigenschaften der wichtigsten trigonalen und orthorhombischen Karbonaten zu schaffen. Meist konnten die Wärmetransporteigenschaften auch als Funktion der Temperatur bestimmt werden. Die maximale Temperaturleitfähigkeit wurde im trigonalen Magnesit in Richtung c- Achse (6,3 mm²/s) und minimale Temperaturleitfähigkeit in orthorhombischen Cerussit in [100]- Richtung (0,6 mm²/s) gemessen. Durch die Messung der Temperaturleitfähigkeit in Abhängigkeit von der Orientierung konnte die Anisotropie der Temperaturleitfähigkeit bestimmt werden. Die höchste Anisotropie wurde im Magnesit (128 %) und die geringste im Rhodochrosit (7 %) festgestellt. Um die Temperaturabhängigkeit der Temperaturleitfähigkeit zu bestimmen, wurden zwei Modelle getestet: das Eucken-Modell und das Modell nach Roufosse und Klemens (1973, 1974). Mit einem geeigneten Modell könnte die Temperaturleitfähigkeit der Phononen in Karbonaten bei Temperaturen oberhalb der Dissoziationstemperatur sinnvoll abgeschätzt werden. Bei der Betrachtung der mittleren Temperaturleitfähigkeit in Abhängigkeit von den mittleren Kationengewichten der Minerale wird ein systematischer Zusammenhang beobachtet. Mit steigendem mittleren Kationengewicht sinkt die Temperaturleitfähigkeit der Karbonate. Innerhalb der trigonalen Karbonate ist dieser Zusammenhang stärker als bei den orthorhombischen Karbonaten. In erster Näherung wurde für die trigonalen Karbonate ein quadratischer, für die orthorhombischen Karbonate ein linearer Zusammenhang erkannt. Ein nichtlinearer Zusammenhang wird zwischen der mittleren Schallgeschwindigkeit und der mittleren freien Weglänge beobachtet. Nach Roufosse und Klemens, 1974 folgt, dass mit steigenden mittlere Phononengeschwindigkeiten auch die mittleren freien Weglängen ansteigen. Die Minerale Magnesit, Dolomit und Calcit bilden ein pseudobinäres System. Der Dolomit weist eine geordnete Struktur mit Wechsellagen von Magnesiumatomen und Kalziumatomen auf. Man kann die Temperaturleitfähigkeit des Dolomits mit Hilfe der Endglieder Magnesit und Calcit berechnen, wenn die strukturellen Details berücksichtigt werden Bei der Berechnung der mittleren Temperaturleitfähigkeit in Richtung der c-Achse muss das Reuss-Mittel, senkrecht zur kristallographischen c-Achse das Voigt-Mittel, aus den Werten der Endglieder gebildet werden. Bei der Untersuchung des Symmetrieeinflusses auf die Temperaturleitfähigkeit wurden die chemisch identischen Minerale Calcit (trigonal) und Aragonit (orthorhombisch) betrachtet. Die Ergebnisse zeigen, dass das Mineral mit der höheren Symmetrie, Calcit, eine höhere mittlere Temperaturleitfähigkeit (1,9 mm²/s) als das niedriger symmetrische Aragonit (1,4 mm²/s) aufweist.

With the available work succeeded in creating a data record of the anisotropic heat transport characteristics most important trigonal and orthorhombic carbonates. Usually the heat transport characteristics could be determined also as function of the temperature. The maximum thermal diffusivity became in the trigonalen magnesite toward c axis (6.3 mm²/s) and minimum thermal diffusivity in orthorhombischen cerussite in [001] - direction (0.6 mm²/s) measured. By the measurement of the thermal diffusivity as a function of orientation the anisotropy of the thermal diffusivity could be determined. The highest anisotropy became in the magnesite (128%) and the smallest in Rhodochrosit (7%) are determined. In order to determine the temperature dependence of the thermal diffusivity, two models were tested: the Eucken model and the model after Roufosse and Klemens (1973, 1974). With a suitable model the thermal diffusivity of the phonons in carbonates could be determined at temperatures above the dissociation temperature meaningfully. During the view of the middle thermal diffusivity as a function of the middle cation weights of the minerals a systematic connection is observed. With rising middle cation weight the thermal diffusivity of the carbonates sinks. Within the trigonal carbonates this dependence is stronger than with the orthorhombic carbonates. In first approximation for the trigonal carbonates a square was recognized, for the orthorhombic carbonates a linear connection. A nonlinear dependence is observed between the middle velocity of sound and the mean free path length. After Roufosse and Klemens (1974) follow that with rising middle phonon velocity also the mean free path lengths rise. The minerals magnesite, dolomite and calcite form a pseudobinary system. The dolomite exhibits an structure with alterating layers of magnesium and calcium atoms. It s possible to compute the thermal diffusivity of the dolomite with the help of the endmembers magnesite and Calcit, if the structural details are considered. To determine the middle thermal diffusivity toward the c-axis must the Reuss means, perpendicularly to the crystallographic c-axis the Voigt means, from the values of the endmemebers are used. During the investigation of the symmetry influence on the thermal diffusivity the chemically identical minerals calcit (trigonal) and aragonite (orthorhombisch) regards. The results show that the mineral with the higher symmetry, exhibits calcit, a higher middle thermal diffusivity (1.9 mm²/s) than lower symmetrical aragonite (1.4 mm²/s).