“تشير السعة الحرارية النوعية إلى قدرة المادة على تخزين الحرارة. وتقابل هذه الكمية المادية كمية الحرارة اللازمة لتسخين كمية معينة من المادة بمقدار كلفن واحد.”
يمكن استخدام DSCs لتحديد السعة الحرارية النوعية (يشار إليها فيما يلي باسم Cp) [3، الفصل 6.2]. السعة الحرارية النوعية هي كمية مكثفة بإضافة الكتلة. وهي تشير إلى مقدار الحرارة التي يجب أن تمتصها المادة من أجل زيادة كتلة المادة بفارق درجة حرارة محددة. تعتمد السعة الحرارية النوعية على درجة الحرارة وتحسب وفقًا لـ
حيث يفترض أن الضغط المحيط ثابت [2، ص 118]. وحدة السعة الحرارية النوعية [3، ص 78] هي
يعد الضغط الثابت، الذي يتميز بالمؤشر “p”، شرطًا أساسيًا لقياسات DSC الصحيحة. وعلاوة على ذلك، يمكن أيضًا تمثيل السعة الحرارية بافتراض وجود حجم ثابت، والذي يشار إليه بدوره باسم Cv.
أدناه (الشكل 1) هو تمثيل لمنحنى CP نموذجي لإشارة قياس DSC مع زيادة كبيرة مفترضة في السعة الحرارية النوعية في سياق عملية الذوبان.
سبب الزيادة في قيمة Cp الموضحة هو الطبيعة الماصة للحرارة لهذا الانتقال. وهذا يعني أن نظام القياس يجب أن يوفر المزيد من الطاقة من أجل اتباع ملف درجة الحرارة المحدد. لكن هذا لا يتوافق مع Cp الحقيقي، ولهذا السبب يُفترض أن السعة الحرارية النوعية في منطقة الانتقال الطوري لا نهائية.
الإحالة المرجعية بمساعدة سفير
الياقوت هو المعيار الأكثر استخدامًا على نطاق واسع للقياس باستخدام DSCs عند تحديد عوامل التصحيح لقياس السعة الحرارية النوعية. وتوجد البلورة التي تتكون من أكسيد الألومنيوم (المشار إليها فيما يلي باسم Al2O3 ) في شكل طبيعي. ومع ذلك، يمكن أيضًا إنتاج الياقوت بشكل صناعي وبجودة مثالية. وعادةً ما يكون زجاج الياقوت المنتج صناعيًا عديم اللون، وبسبب درجة حرارة انصهاره العالية التي تبلغ 2050 درجة مئوية، يكون خاملًا في نطاق درجات الحرارة المعتادة لدرجات الحرارة المعتادة لـ DSCs. يسمح الإنتاج الاصطناعي بتصنيع الياقوت بدقة عالية ويمثل معيارًا دقيقًا للغاية. ومع ذلك، يمكن أن تُظهر العينات ذات القدرات الحرارية النوعية المنحرفة بشدة انحرافات في القياس. في هذه الحالة، يجب استخدام معيار بسعة حرارية نوعية مماثلة.
طرق تحديد السعة الحرارية النوعية باستخدام DSC
هناك طرق مختلفة لتحديد السعة الحرارية النوعية باستخدام مسعرات المسح التفاضلي. وفيما يلي عرض موجز لهذه الطرق.
قياس CP الكلاسيكي باستخدام DSC
يتم إجراء التحديد التقليدي للسعة الحرارية النوعية باستخدام DSCs في ثلاث خطوات. في الخطوة الأولى، يتم تسخين بوتقة العينة المقابلة فقط ويتم تسجيل المنحنى الصفري المقابل للاختبار من أجل تعويض القصور الذاتي لنظام القياس. في الخطوة الثانية، يتم قياس مادة مرجعية معروفة تحت نفس ظروف الاختبار. الشرط الأساسي هو أن تكون المادة نقية جدًا ومحددة جيدًا وخاملة في نطاق درجة الحرارة المطلوبة. يجب أيضًا توفر قيم أدبية للسعة الحرارية للمادة المرجعية كدالة لدرجة الحرارة. في الخطوة الثالثة، يتم قياس العينة المراد تحليلها تحت نفس ظروف الاختبار. يتم طرح المنحنى الصفري من القياسات المرجعية وقياسات العينة. من الفرق بين منحنيي DSC، يمكن استخدام عامل معايرة ومقارنة التدفقات الحرارية لحساب السعة الحرارية النوعية وفقًا ل
تحديد [4، ص 119]. يظهر رسم توضيحي للمنحنيات الثلاثة والطريقة في الشكل 2.
نظرًا لاستخدام أوزان عينة صغيرة جدًا، فمن الضروري تحديد كتل المادة المرجعية والعينة بدقة شديدة. يجب أن تظل البوتقة وجميع الظروف المحيطة الأخرى متطابقة قدر الإمكان. نظرًا لأنه بخلاف ذلك ستحدث انحرافات في القياس، يجب مراعاة الوضع الدقيق للبوتقة والعينة. يجب أيضًا أن تكون المادة المرجعية مماثلة للعينة المراد اختبارها من حيث الوزن والسعة الحرارية النوعية من أجل تقليل التأثيرات مثل تدرجات درجة الحرارة عبر العينة.
قياس درجة الحرارة المعدلة CP المعدل باستخدام DSC
عند تحديد السعة الحرارية النوعية باستخدام القياس المعدل لدرجة الحرارة، يتم تركيب موجة جيبية على منحنى درجة الحرارة. والشرط الأساسي لطريقة القياس هذه هو أن يتبع DSC درجة الحرارة المعدلة المحددة. وفقًا لذلك، يمكن وصف ملف درجة الحرارة [4، ص 132] على النحو التالي:
وينتج عن ذلك تدفق الحرارة من
مع
[2، ص 187] وهو ما يعني أن
إذا تم تحليل DSC المقاس، يتم حساب السعة الحرارية النوعية [1، ص 363] على النحو التالي
يحد القصور الذاتي لأنظمة القياس والأفران من السعة ويتطلب فترات زمنية طويلة. من أجل الحصول على دقة جيدة للسعة الحرارية الناتجة، يجب تشغيل عدد كافٍ من فترات التضمين، مما يعني أن القياسات تستغرق وقتًا طويلاً.
قياس درجة الحرارة المعدلة CP المعدل باستخدام DSC
عند تحديد السعة الحرارية النوعية باستخدام القياس المعدل لدرجة الحرارة، يتم تركيب موجة جيبية على منحنى درجة الحرارة. والشرط الأساسي لطريقة القياس هذه هو أن يتبع DSC درجة الحرارة المعدلة المحددة. وفقًا لذلك، يمكن وصف ملف درجة الحرارة [4، ص 132] على النحو التالي:
وينتج عن ذلك تدفق الحرارة من
مع
[2، ص 187] وهو ما يعني أن
إذا تم تحليل DSC المقيس، يتم حساب السعة الحرارية النوعية [1، ص 363] على النحو التالي
يحد القصور الذاتي لأنظمة القياس والأفران من السعة ويتطلب فترات زمنية طويلة. من أجل الحصول على دقة جيدة للسعة الحرارية الناتجة، يجب تشغيل عدد كافٍ من فترات التضمين، مما يعني أن القياسات تستغرق وقتًا طويلاً.
الفصل بين الجزء القابل للانعكاس والجزء غير القابل للانعكاس من إشارة DSC
يمكن تقسيم إشارة DSC إلى مكوّن قابل للانعكاس (يُرمز له بالاختصار REV في ما يلي) ومكوّن غير قابل للانعكاس (يُرمز له بالاختصار NONREV في ما يلي) وفقًا لما يلي
يمكن فصلها [5، ص 172]. ويشمل الجزء القابل للانعكاس من إشارة DSC تلك التأثيرات التي تحدث بشكل متكرر، مثل التحولات الزجاجية أو عمليات الذوبان [2، القسم 3.1.4]. أما التأثيرات غير القابلة للانعكاس فهي تلك التي تحدث مرة واحدة فقط في العينة المقابلة، مثل تبخر الماء. يمكن فصل هذه الإشارات عن بعضها البعض باستخدام القياس المعدل لدرجة الحرارة. ووفقًا لصيغة حساب القياس المعدل لدرجة الحرارة [5، ص 172]، يمكن افتراض أن
وفقًا لذلك، يمكن وصف الجزء القابل للانعكاس على النحو التالي
والجزء غير القابل للانعكاس من إشارة DSC بعد
إذا تم تسجيل إشارة القياس المعدلة وحُسبت السعة الحرارية النوعية باستخدام DSC كما هو موضح تحت قياس CP المعدل بالحرارة، يمكن حساب NONREV وفقًا لـ
وبالتالي حساب REV أيضًا عن طريق طرح NONREV من إشارة DSC. إذا كانت التأثيرات متراكبة على قياسات أخرى، فغالبًا ما يمكن تعيينها وتحليلها بوضوح باستخدام هذا الفصل. ومع ذلك، فإن الوقت والجهد المبذول يكونان أكبر بكثير. ويوضح الشكل 3 تمثيلًا نموذجيًا لإشارة DSC مع المكونات العكسية وغير العكسية المرتبطة بها.
3-أوميغا CP قياس درجة حرارة الجسم باستخدام DSC
هناك طريقة أخرى لتحديد السعة الحرارية النوعية وهي طريقة 3ω. تستخدم هذه الطريقة التي اخترعها ديفيد كاهيل سخانًا يتم إثارته بالسرعة الزاوية ω. تُستخدم هذه الطريقة في الواقع لتحديد الموصلية الحرارية [6، ص 19]. ويتم تحديد ذلك من خلال
ويمكن استخدامها مع
يمكن تحويلها [6، ص 69]. ومن خلال قياس التغير الدوري في درجة الحرارة عند العينة، يمكن بالتالي تحديد حجم السعة الحرارية النوعية. ومع ذلك، نظرًا لأن هذه الطريقة مصممة لقياس عينات الأغشية الرقيقة، والتي نادرًا ما تُستخدم في قياسات DSC التقليدية، فإن هذه الطريقة بالكاد تكون مناسبة لأجهزة DSC التقليدية.
يمكنك تحديد السعة الحرارية النوعية باستخدام أجهزة قياس لينسيس التالية: رقاقة DSC , DSC pt 1600 (HDSC L62) , STA .
المؤلفات:
- ب. وندرليش، التحليل الحراري للمواد البوليمرية. برلين، هايدلبرغ: Springer-Verlag برلين هايدلبرغ، 2005.
- S. S. M. Sarge, G. W. H. H. Höhne and W. Hemminger, Calorimetry: Fundamentals, instrumentation and applications. Weinheim, Germany: Wiley-VCH Verlag, 2014.
- G. W. H. H. Höhne, W. Hemminger and H.-J. Flammersheim, Differential Scanning Calorimetry: An Introduction for Practitioners. Berlin, Heidelberg: Springer, 1996.
- G. W. H. Höhne, W. F. Hemminger and H.-J. Flammersheim, Differential Scanning Calorimetry, 2nd ed. Berlin, Heidelberg: Springer, 2003.
J. D. Menczel and R. B. Prime, Thermal analysis of polymers. Hoboken, N.J.: John Wiley, 2009. - P. Böckh and T. Wetzel, Wärmeübertragung: الأساسيات والممارسة، الطبعة الخامسة. Berlin: Springer Vieweg, 2014.
