Тепловые свойства драгоценных камней

Ограничения методов геммологического тестирования

Геммологи строго ограничены в анализе и идентификации драгоценных камней, поскольку их методы тестирования должны быть неразрушающими. Это ограничивает измерения областями оптики (включая спектроскопию, люминесценцию и т.д.), удельного веса и включений. Геммологи обычно не измеряют твердость ограненных драгоценных камней, поскольку, опять же, это повреждает драгоценный камень.

Кроме того, приборы, используемые в этой области, должны быть достаточно простыми, чтобы их могли освоить люди без реальной научной подготовки, а также доступными по цене. В наши дни большая часть геммологической литературы сообщает об измерениях драгоценных камней, проведенных с помощью различных передовых приборов, таких как ультрафиолетовая спектроскопия поглощения, рентгенофлуоресцентный анализ и даже электронный парамагнитный резонанс. Это хорошо для литературы, но не имеет большой практической ценности для работающего геммолога и / или оценщика.

По этим причинам важно изучить потенциал любого возможного диагностического метода анализа драгоценных камней, который является недорогим, простым и нетехническим. Одним из таких методов является измерение тепловых свойств, таких как удельная теплоемкость, температуропроводность, теплопроводность и тепловая инерция.

Методы передачи тепловой энергии

Тепловая энергия может передаваться одним из трех способов: излучением, конвекцией и электропроводностью. Примером излучения является солнечный свет, а примером конвекции является создание токов в кастрюле с кипящей водой. Третий метод теплопередачи, теплопроводность, наиболее применим к твердым материалам, включая драгоценные камни, при комнатной температуре.

Идентификация драгоценных камней и тепловые свойства

Существует четыре тепловых свойства, представляющих потенциальный интерес для идентификации драгоценных камней, три из которых математически взаимосвязаны. Лучшим для тестирования драгоценных камней является тепловая инерция, которую легче всего измерить с помощью простых приборов. Все четыре из этих свойств определены ниже.

Удельная теплоемкость

Удельная теплоемкость — это количество тепла, необходимое для повышения температуры одного грамма вещества на один градус Цельсия. Это постоянная величина для данного вещества, но варьируется от вещества к веществу. Однако они мало различаются от одного материала к другому. Поэтому они не особенно полезны для целей идентификации.

Температуропроводность

Коэффициент температуропроводности является мерой скорости теплового потока в материале. Если к веществу прикладывается тепло, часть тепловой энергии уходит на повышение температуры вещества. Количество тепловой энергии, которая идет на повышение температуры, зависит от теплоемкости материала. Остальная тепловая энергия рассеивается вдали от точки приложения тепла. Чем выше температуропроводность материала, тем быстрее он будет передавать тепловую энергию из одной точки в другую.

Теплопроводность

Теплопроводность, с другой стороны, представляет собой отношение потока тепла через материал заданной толщины к разнице температур по этой толщине. Оказывается, что теплопроводность является направленной, как и показатель преломления, во всех материалах, кроме изотропных (изометрических или аморфных). Симметрия оптических и тепловых свойств обычно одинакова. Однако для драгоценных материалов было проведено очень мало измерений изменения проводимости в зависимости от направления.

Тепловая инерция

Тепловая инерция — это показатель того, насколько быстро температура поверхности материала может изменяться за счет подвода тепла к материалу. Чем выше тепловая инерция, тем медленнее будет повышаться температура поверхности при приложении тепла. Вот почему материалы, такие как пластмассы, с низкой тепловой инерцией кажутся теплыми на ощупь. Тепло тела быстро повышает температуру поверхности таких материалов. С другой стороны, каменные предметы холодны на ощупь, поскольку обладают высокой тепловой инерцией.

Использование алмазных зондов

Тепловая инерция является направленным свойством, но ее можно измерить с помощью простых приборов для среднего значения. Различные алмазные зонды, представленные на рынке, в том числе производства GIA, Rayner, Kashan и Ceres Corp., используют этот факт в своих интересах. Такие зонды состоят из датчика разности температур, называемого термопарой, и расположенного рядом источника тепла, или резистивного нагревателя, окруженного изолированным корпусом зонда.

При использовании таких приборов следите за тем, чтобы сквозняк не влиял на показания. Наконечник щупа прикладывается к измеряемому материалу, в данном случае к грани драгоценного камня, и показания прибора снимаются примерно за одну секунду. Это значение может быть связано с тепловой инерцией.

Коммерческие датчики были разработаны специально для того, чтобы отличать алмаз, обладающий очень высокой тепловой инерцией, от его имитаций, таких как кубический цирконий, обладающий гораздо меньшей тепловой инерцией.

Вы можете столкнуться с трудностями при использовании коммерческих зондов для измерения очень мелких камней. Однако вы можете откалибровать прибор по мелким камням, чтобы избежать этой проблемы.

Доктор Дональд Гувер из Геологической службы США составил следующую таблицу. Как правило, материалы расположены в порядке уменьшения тепловой инерции. Если точные количественные датчики получат широкое распространение, тепловая инерция может стать очень полезным, легко измеряемым параметром для анализа драгоценных камней.

Тепловые свойства драгоценных материалов, синтетики и имитаторов, а также некоторых металлов при комнатной температуре

Источники

Из книги Д. Б. Гувера «Мастер драгоценных камней и термические свойства драгоценных камней», Драгоценные камни и геммология, лето 1983: 77-86. © Геммологический институт Америки. Перепечатано с разрешения.

Если заглавная буква не указывает на другую ссылку, значения проводимости и плотности были взяты из K. Хораи, «Теплопроводность породообразующих минералов», Журнал геофизических исследований, 76 (5), 1971.

Значения удельной теплоемкости, от Р. А. Роби и Д. Р. Вальдбаума, «Термодинамические свойства минералов и родственных веществ при 298,15 градусах К и давлении в одну атмосферу и при высоких температурах», Бюллетень геологической службы США, № 1259, 1968.

Примечания

* Предполагаемое значение; не найдено в литературе.

ᵃ Р. Вебстер, 1982, Драгоценные камни, 3-е изд. Хамден, штат Коннектикут: Баттерворт и Архон.

ᵇ Chemical Rubber Company, 1966, Справочник по химии и физике. 47-е изд. Бока-Ратон, Флорида: Chemical Rubber Company

ᶜ С.П. Кларк, 1966, Справочник по физическим константам, Мемуары 97. Боулдер, Колорадо.: Геологическое общество Америки.

Факторы, влияющие на измерение тепловой инерции

Количественное измерение тепловой инерции может быть затруднено с помощью приборов, разработанных специально для отделения алмаза от других камней. Новые устройства, специально разработанные для таких измерений, будут представлять собой тепломеры следующего поколения. При использовании приборов для измерения тепловой инерции имейте в виду, что на показания влияет качество поверхности, в частности степень плоскостности и полировки, а также степень кристалличности и химический состав, особенно в серии твердых растворов.