Thermal Properties of Rocks
FISIKA BATUAN PAF-213403
Perkuliahan ke- 9
Sub CPMK
Mahasiswa mampu menjelaskan sifat termal batuan
Introduction
Siklus Batuan
Siklus Batuan, juga dikenal sebagai "siklus geologi," adalah konsep dasar dalam geologi yang menjelaskan bagaimana batuan di Bumi terbentuk, diubah, dan mengalami perubahan selama berjuta-juta tahun. Siklus batuan melibatkan tiga jenis utama batuan: batuan sedimen, batuan beku, dan batuan metamorf.
Batuan Beku:
Batuan beku terbentuk dari pendinginan dan pengerasan magma (batuan cair) atau lava (batuan cair yang keluar ke permukaan) di bawah atau di atas permukaan Bumi.
Batuan beku dibagi menjadi dua kelompok utama: batuan beku bebas (intrusif), yang terbentuk di bawah permukaan, dan batuan beku murni (ekstrusif), yang terbentuk di permukaan.
Batuan Sedimen:
Batuan sedimen terbentuk dari endapan materi yang terkikis dari batuan lain dan terakumulasi di tempat- tempat seperti sungai, danau, laut, dan lembah sungai. Bahan endapan ini dapat berupa pasir, lumpur, kerikil, atau sisa organisme.
Proses-proses seperti litifikasi (penggantian bahan endapan menjadi batuan padat), kompaksi (penyusutan bahan endapan oleh tekanan), dan sementasi (pengikatan partikel oleh mineral atau bahan organik)
membentuk batuan sedimen.
Batuan Metamorf:
Batuan metamorf adalah batuan yang telah mengalami perubahan (metamorfosis) dari batuan sebelumnya karena tekanan dan panas yang tinggi atau pengaruh reaksi kimia. Proses ini terjadi dalam kedalaman di bawah permukaan Bumi.
Contoh batuan metamorf termasuk marmer (metamorf dari batuan kapur), ardesit (metamorf dari batuan sedimen), dan gneiss (metamorf dari granit atau batuan beku lainnya).
Introduction
Introduction
Fisika Batuan merupakan bidang kajian Multidisipliner yang menggabungkan konsep-konsep dari Geofisika, Geologi, dan Ilmu Material untuk memahami dan memprediksi perilaku batuan sebagai respons terhadap gaya fisik dan mekanik, khususnya dalam konteks bawah permukaan bumi. Berikut adalah beberapa aspek penting dari fisika batuan:
Introduction
Rock Physics is a branch of geophysics and geology that focuses on the study of the physical properties of rocks, particularly as they relate to the propagation of seismic waves through the Earth's subsurface. It plays a crucial role in the
exploration and production of hydrocarbons, as well as in various aspects of environmental and civil engineering.
Key concepts and areas of study within rock physics include:
Elastic Properties : Understanding the elastic properties of rocks is
fundamental in rock physics. These properties include elastic moduli such as Young's modulus (E), bulk modulus (K), and shear modulus (G), which
describe how rocks respond to stress and strain. The relationships between these properties help characterize the mechanical behavior of rocks.
Petrophysics : Petrophysics involves the study of the physical properties of rocks, including porosity, density, permeability, and electrical resistivity. These properties are critical in various applications, such as oil and gas exploration, groundwater studies, and geotechnical engineering.
Seismic Rock Properties : In the context of geophysics, rock physics plays a significant role in understanding how seismic waves propagate through the Earth's subsurface. The velocity of seismic waves is influenced by the elastic properties of rocks, which, in turn, provide information about subsurface geology and fluid content.
Anisotropy : Anisotropy refers to the directional dependence of rock
properties. Different directions within a rock can exhibit different elastic or
transport properties. Understanding anisotropy is vital for interpreting seismic data and predicting reservoir behavior.
Introduction
Fluid-Rock Interaction: The presence of fluids within rocks, such as water, oil, or gas,
affects the rock's physical properties and can influence its behavior. This is a critical aspect in reservoir engineering, as it impacts the flow of hydrocarbons in subsurface reservoirs.
Thermal Properties: As mentioned earlier, rocks have specific thermal properties like thermal conductivity, diffusivity, and heat capacity. These properties are crucial for
understanding heat transfer processes in the Earth's crust and in applications like geothermal energy production.
Laboratory Measurements: Rock physicists often conduct laboratory experiments to measure and characterize the physical and mechanical properties of rock samples. This data is used to develop models and equations that can be applied to larger-scale geological and geophysical studies.
Modeling and Simulation: Rock physics models and numerical simulations are used to predict the behavior of rocks under various conditions. These models are critical in fields like reservoir engineering, where they help in the optimization of hydrocarbon production
Introduction
Earth’s Heat
Earth’s Heat (Panas Bumi), adalah panas yang dihasilkan dan ditahan/tersimpan di dalam tubuh bumi (earth interior).
Panas/Kalor ini merupakan hasil dari beberapa proses, antara lain :
Panas Radiogenik : Sebagian besar panas bumi berasal dari peluruhan radioaktif isotop radioaktif alami seperti Uranium (U), Thorium (Th), dan Potassium/Kalium (K).
Ketika isotop-isotop ini meluruh, mereka melepaskan panas
sebagai produk sampingan. Pembangkitan panas ini terjadi
di dalam kerak bumi dan mantel atas (upper mantle).
Earth’s Heat
Sisa Panas dari Formasi :
Selama pembentukan Bumi, lebih dari 4,5 miliar tahun yang lalu, sejumlah besar panas dihasilkan melalui proses kompresi gravitasi dan tumbukan
dengan benda langit lainnya. Sebagian besar panas awal ini masih tertahan di dalam bumi.
Konveksi Mantel :
Mantel bumi, yang terletak di bawah kerak bumi, bukanlah lapisan padat
yang statis, tetapi berada dalam keadaan semi-cair yang dikenal sebagai
Asthenosphere. Panas yang dihasilkan dari inti dan peluruhan radioaktif di
dalam mantel mendorong konveksi mantel. Proses ini bertanggung jawab
atas lempeng tektonik, aktivitas gunung berapi, dan pergerakan lempeng
litosfer bumi.
Table 1 : Estimate of notable contributions to the Earth’s annual energy budget
Sumber : Lowrie, W., 2004, Fundamentals of Geophysics, Cambridge University Press
Earth’s Heat
Panas/Kalor Inti (Core Heat):
Inti bumi terdiri dari inti luar yang cair dan inti dalam yang padat. Panas yang dihasilkan di dalam inti disebabkan oleh lambatnya pendinginan dan pemadatan inti bagian dalam.
Pelepasan panas dari inti bumi berkontribusi terhadap kandungan panas bumi secara keseluruhan.
Earth’s Heat
Struktur Interior Bumi
Panas internal bumi memainkan peran penting dalam membentuk proses geologi dan tektonik planet ini.
Hal ini mempengaruhi fenomena seperti pergerakan lempeng, letusan gunung berapi, pembentukan gunung, dan pembentukan medan magnet bumi.
Energi Panas Bumi :
Sumber energi panas bumi merupakan energi terbarukan yang memanfaatkan panas dari interior bumi untuk menghasilkan listrik dan pemanasan langsung.
Pembangkit listrik tenaga panas bumi menggunakan air panas atau reservoir uap di bawah permukaan bumi untuk menggerakkan turbin, sehingga menghasilkan energi yang bersih dan berkelanjutan.
Geothermal Energy
Sifat Termal Batuan
The thermal properties of rocks are important in various fields, including geology, geophysics, and engineering.
Thermal properties of rocks :
Thermal Conductivity : Thermal conductivity (k) is a measure of a material's ability to conduct heat. It describes how efficiently a rock can transfer heat. Different rock types have varying thermal conductivities, and it can be influenced by factors like porosity, mineral composition, and temperature.
Konduktivitas termal (k) adalah ukuran kemampuan suatu material untuk menghantarkan panas. Sifat ini menggambarkan seberapa efisien suatu batuan dapat mentransfer panas. Jenis batuan yang berbeda memiliki konduktivitas termal yang berbeda-beda, dan hal ini dapat dipengaruhi oleh faktor-faktor seperti porositas, komposisi mineral, dan suhu .
Sifat Termal Batuan
Thermal Diffusivity : Thermal diffusivity (α) is a measure of how quickly a rock can respond to changes in temperature. It is related to thermal conductivity, density, and heat capacity and is used to calculate how fast temperature changes propagate through a rock.
Difusivitas termal (α) adalah ukuran seberapa cepat suatu batuan
dapat merespons perubahan suhu. Hal ini terkait dengan
konduktivitas termal, kepadatan, dan kapasitas panas dan
digunakan untuk menghitung seberapa cepat perubahan suhu
merambat melalui batuan.
Specific Heat Capacity : Specific heat capacity (C) is the amount of heat energy required to raise the temperature of a unit mass of a rock by one degree Celsius. The specific heat capacity of rocks can vary depending on their mineral composition.
Kapasitas Panas Spesifik : Kapasitas panas spesifik (C) adalah jumlah energi panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu suatu satuan massa suatu batuan sebesar satu derajat Celcius. Kapasitas panas spesifik suatu batuan dapat bervariasi tergantung pada komposisi mineralnya.
Sifat Termal Batuan
Thermal Expansion : Thermal expansion refers to how a rock's volume changes with temperature. Rocks expand when heated and contract when cooled. The coefficient of thermal expansion (α) describes this property.
Sifat Termal Batuan
Ekspansi termal mengacu pada bagaimana volume batuan
berubah terhadap suhu. Batuan memuai jika dipanaskan dan
menyusut jika didinginkan. Koefisien muai panas (α)
menggambarkan sifat ini.
Heat Flow : The heat flow or heat flux within the Earth's crust is an essential aspect of geothermal studies and understanding the thermal behavior of rocks. It varies with depth and geologic conditions.
Aliran panas di dalam kerak bumi merupakan aspek penting dalam studi panas bumi dan memahami perilaku termal batuan. Aliran panas tersebut bervariasi sesuai dengan kedalaman dan kondisi geologi.
Sifat Termal Batuan
Sifat Termal Batuan
Heat flow atau Heat flux adalah jumlah kalor (heat) yang melewati luasan satu meter persegi per sekon. Satuan laju aliran kalor adalah W/m
2.
Thermal Resistivity :
Thermal resistivity is a property that describes a material's resistance to the flow of heat. It is the inverse of thermal conductivity and is sometimes used in heat transfer calculations.
Resistivitas termal adalah sifat yang menggambarkan ketahanan suatu
material terhadap aliran panas. Sifat ini merupakan kebalikan (iversi)
dari konduktivitas termal dan kadang-kadang digunakan dalam
perhitungan perpindahan panas.
Konsep/Prinsip Termodinamika
Untuk mengkaji energi termal, maka diperlukan definisi yang tegas dari beberapa parameter termodinamika, di antaranya adalah konsep tentang suhu (temperature) dan kalor (heat), karena kedua konsep tersebut terkadang rancu.
Temperature is a quantitative measure of the degree of hotness or coldness of an object relative to some standart (Suhu adalah ukuran kuantitatif derajat panas atau dinginnya suatu benda relatif terhadap standar tertentu)
Heat is a form of energy which an object possesses by virtue of
its temperature (Panas adalah suatu bentuk energi yang
dimiliki oleh materi/benda berdasarkan suhunya)
Temperature inside the earth
Suhu di dalam bumi meningkat seiring dengan kedalaman, dan peningkatan ini disebabkan oleh berbagai sumber panas di dalam bumi. Struktur suhu internal bumi dapat dibagi menjadi tiga lapisan utama : kerak bumi, mantel, dan inti bumi.
Kerak bumi merupakan lapisan terluar dan relatif tipis, dengan ketebalan berkisar antara 5 hingga 70 kilometer (3 hingga 43 mil).
Di kerak bumi, suhu meningkat seiring dengan kedalaman, dan laju
kenaikannya dikenal sebagai gradien panas bumi. Rata-rata,
gradien panas bumi di kerak bumi adalah sekitar 20 hingga 30
derajat Celcius per kilometer (°C/km). Artinya, setiap kilometer
lebih dalam ke kerak bumi, suhunya meningkat 20 hingga 30 derajat
Celcius.
Suhu bagian dalam Bumi
Mantel : Di bawah kerak bumi terdapat mantel, yang memanjang hingga kedalaman sekitar 2.900 kilometer (1.800 mil). Di dalam mantel, suhu dapat berkisar dari sekitar 500°C (932°F) di dekat batas atas hingga lebih dari 3.000°C (5.432°F) di dekat batas dengan inti bumi. Suhu meningkat seiring kedalaman karena panas yang dihasilkan oleh proses seperti peluruhan radioaktif, sisa panas dari pembentukan bumi, dan panas yang dihasilkan oleh aliran konvektif mantel.
Core (Inti) : Inti bumi terdiri dari dua lapisan utama: inti luar yang cair dan inti dalam yang padat. Inti luar, terutama terdiri dari besi cair dan nikel, mencapai suhu sekitar 4.000 hingga 5.000°C (7.232 hingga 9.032°F).
Inti bagian dalam, meskipun padat, bahkan lebih panas, dengan perkiraan suhu berkisar antara 5.700 hingga 6.000°C (10.292 hingga 10.832°F).
Temperature inside the earth
Terima Kasih