جدول المحتويات
السعة الحرارية النوعية (cp)
السعة الحرارية النوعية السعة الحرارية النوعية (cp) وغالبًا ما يشار إليها بالحرارة النوعية، وهي خاصية فيزيائية حرارية أساسية للمادة. وهي تشير إلى القدرة على تخزين الطاقة الحرارية. وهي تشير إلى كمية الحرارة التي يجب إضافتها إلى جرام واحد من كتلة المادة لزيادة درجة حرارتها بمقدار كيلفن واحد. لا يجب أن يحدث أي تحول طوري من الدرجة الأولى (مثل الذوبان)، حيث يمكن أن يكون cp كبيرًا إلى ما لا نهاية في هذه الحالة، وبالتالي لا يمكن قياسه أثناء ذلك.
وحدة السعة الحرارية النوعية في النظام الدولي للوحدات هي جول لكل جرام في كلفن [J/g*K].
بشكل عام، يمكن تقسيم السعة الحرارية النوعية إلى سعة حرارية متساوية (cp؛ عند ضغط ثابت) وسعة حرارية متساوية (cV، عند حجم ثابت ) بناءً على كمية الحرارة المدخلة. في حين أنه عند ثبات الحجم يتم استخدام كمية الحرارة بالكامل لزيادة درجة الحرارة، أما عند ثبات الضغط فإن جزءًا من الحرارة مطلوب للتغير في الحجم. يجب أخذ ذلك في الاعتبار عند قياس الغازات والأبخرة.
إذا كانت قيمة السعة الحرارية النوعية كبيرة، فإن كمية معينة من الحرارة تؤدي إلى زيادة صغيرة في درجة الحرارة فقط، بينما إذا كانت القيمة صغيرة، فإن نفس الكمية من الحرارة يمكن أن تسبب زيادة أكبر في درجة الحرارة. وتتراوح السعة الحرارية النوعية للمواد الصلبة والسوائل بين 0.1 و5 جول/غرام*ك.
| Substanz | Aluminium | Glas | Schokolade | Zement | Wasser (20 °C) | PET (kristallin, 20°C) |
| Cp in [J/g*K] | 0,896 | 0,6 bis 0,8 | 3,140 | 0,754 | 4,187 | 1,510 |
الجدول 1: قيم cp لبعض المواد (Chemie.de/kern.de)
وباعتبارها خاصية مهمة من خواص المواد، يتم إدراج cp في المواصفات وأوراق البيانات؛ حيث يتم استخدامها لحساب القيم الديناميكية الحرارية مثل الإنثالبي والانتروبي. كما يساعد في تقييم المواد وتطبيقاتها في جميع القطاعات الصناعية.
تحديد السعة الحرارية النوعية باستخدام DSC
ككمية ديناميكية حرارية، يمكنتحديد cp بواسطة القياس الحراري بالمسح التفاضلي (مسعر المسح التفاضلي: DSC). للقيام بذلك، يتم إخضاع العينة والمرجع لبرنامج درجة حرارة ديناميكي في فرن DSC. يتم تعيين فرق درجة الحرارة الذي يتكون بين العينة والفرق إلى تدفق الحرارة بعد المعايرة المناسبة. تتوفر طرق قياس مختلفة.
باستخدام الطريقة المباشرة، يتم حساب cpمباشرةً من التدفق الحراري مقسومًا على معدل التسخين وكتلة العينة. هذه الطريقة سريعة، ولكنها ليست دقيقة للغاية. لهذا السبب، تم إنشاء طريقة الياقوت الأكثر دقة، والتي تتوافق أيضًا مع معايير DIN 51007 و ASTM E 1269.
طريقة الياقوت
طريقة الياقوت هي طريقة مقارنة. يتم إجراء ثلاثة قياسات في ظروف متطابقة.
- يتم تنفيذ الأولى باستخدام بوتقتين فارغتين لتحديد المنحنى الفارغ.
- في الخطوة الثانية، يقاس قرص ياقوت مسطح (أكسيد الألومنيوم ألفا) بكتلة معروفة وسعة حرارية محددة معروفة كمرجع (تبقى البوتقة الثانية فارغة).
- بالنسبة للقياس الثالث، يتم استبدال قرص الياقوت بالعينة ذات cp غير معروفة ويبدأ تشغيل البرنامج.
- يمكن بعد ذلك تحديد منحنى السعة الحرارية النوعية للعينة كدالة لدرجة الحرارة باستخدام منحنيات القياس الثلاثة وفقًا للمعادلة التالية:
هذه هي:
- cp,p: السعة الحرارية النوعية للعينة
- cp,sap: السعة الحرارية النوعية للياقوت المرجعي
- θp: التدفق الحراري للعينة
- θ0: التدفق الحراري للمنحنى الوهمي
- θsap: التدفق الحراري للمرجع الياقوتي
- msap: كتلة من الياقوت المرجعية
- mp: كتلة العينة
اعتبارات الخطأ عند قياس Cp
عند حساب Cp، تأكد من استخدام نفس البوتقات في جميع القياسات الثلاثة. إذا لم يكن ذلك ممكنًا، فيجب معرفة كتل البوتقات و cp. يجب أخذ أوجه عدم اليقين هذه في الاعتبار عند تحليل الخطأ.
وتجدر الإشارة أيضًا إلى أن حساسية القياس تقل مع زيادة درجة الحرارة. كما أن التدفق الحراري المقاس (إشارة DSC) للعينة عرضة للأخطاء. وهي ناتجة عن المقاومة الحرارية بين المستشعر والعينة ودائمًا ما تكون أصغر من التدفق الحراري الحقيقي. يتم تضخيم هذا الخطأ من خلال درجة الحرارة الواضحة في المادة أثناء التسخين. إن معدلات التسخين العالية بشكل مفرط والكتل الكبيرة والقدرات الحرارية الكبيرة بالإضافة إلى ضعف التلامس الحراري بين العينة والبوتقة والمستشعر لها تأثير سلبي بشكل خاص.
يجب أيضًا توخي الحذر للتأكد من أن الموصلية الحرارية والسعة الحرارية النوعية للمرجع ضمن نطاق العينة بحيث يمكن أن ينتج نفس التدفقات الحرارية.
قياسات DSC المعدلة درجة الحرارة
في حالة حدوث التأثيرات العكسية وغير العكسية في وقت واحد أثناء قياس DSC التقليدي، يحدث تراكب في إشارة DSC بحيث لا يمكن إجراء تقييم واضح. يوفر DSC المعدل للحرارة علاجًا، مما يسمح بفصل التأثيرات المتراكبة عن بعضها البعض.
يتم تركيب معدل التسخين بواسطة تعديل درجة الحرارة الجيبية. والنتيجة هي تحكم في درجة الحرارة من جزأين: جزء خطي أو ثابت يتداخل مع جزء غير خطي مع تغيرات سريعة نسبيًا في درجة الحرارة. تتوافق العملية مع معيار ASTM E2716 09.
وتتمثل ميزة هذا القياس المعدل لدرجة الحرارة في إمكانية تحقيق دقة تصل إلى 1% في درجات الحرارة العالية. يلزم إجراء عملية تستغرق وقتًا طويلاً لتحديد السعة الحرارية النوعية. ومن المفيد قياس السعة الحرارية النوعية في حالة قياس السعة الحرارية النوعية أثناء العمليات الحركية مثل التفاعلات الكيميائية أو التبلور أو التبخر. يلزم أيضًا وجود برنامج تقييم خاص.
تأثير مادة البوتقة
بالنسبة لقياسات DSC، من المهم التأكد من توافق البوتقة والعينة. يؤثر غطاء البوتقة أيضًا على القياسات.
