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La capacità termica specifica (cp)
La capacità termica specifica (cp) spesso indicata come calore specifico, è una proprietà termofisica fondamentale di un materiale. Essa indica la capacità di immagazzinare energia termica. Indica la quantità di calore che deve essere aggiunta a un grammo di massa di una sostanza per aumentarne la temperatura di un Kelvin. Non deve avvenire alcuna trasformazione di fase del primo ordine (ad esempio la fusione), poiché in questo caso il cp può essere infinitamente grande e quindi non può essere misurato.
L’unità SI della capacità termica specifica è Joule per grammo per Kelvin [J/g*K].
In generale, la capacità termica specifica può essere suddivisa in capacità termica isobarica (cp; a pressione costante ) e isocora (cV, a volume costante ) in base all’apporto di calore. Mentre a volume costante la quantità di calore viene completamente utilizzata per aumentare la temperatura, a pressione costante una parte del calore è necessaria per la variazione di volume. Questo aspetto deve essere preso in considerazione quando si misurano gas e vapori.
Con un valore di Cp elevato, una certa quantità di calore porta solo a un piccolo aumento della temperatura, mentre se il valore è piccolo, la stessa quantità di calore può causare un aumento maggiore della temperatura. La capacità termica specifica di solidi e liquidi è compresa tra 0,1 e 5 J/g*K.
| 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 |
Tabella 1: valori di cp di alcuni materiali (Chemie.de/kern.de)
Essendo un’importante proprietà del materiale, il cp è elencato nelle specifiche e nelle schede tecniche; viene utilizzato per calcolare valori termodinamici come entalpia ed entropia. Inoltre, aiuta nella valutazione dei materiali e delle loro applicazioni in tutti i settori industriali.
Determinazione della capacità termica specifica mediante DSC
Come grandezza termodinamica, la cp puòessere determinata mediante calorimetria a scansione differenziale (Calorimetria Differenziale a Scansione: DSC). A tal fine, il campione e il riferimento vengono sottoposti a un programma di temperatura dinamica nel forno DSC. La differenza di temperatura che si forma tra il campione e la differenza viene assegnata a un flusso di calore dopo un’adeguata calibrazione. Sono disponibili diversi metodi di misurazione.
Nel metodo diretto, il cp viene calcolatodirettamente dal flusso di calore diviso per la velocità di riscaldamento e la massa del campione. Il metodo è veloce, ma non molto preciso. Per questo motivo, si è affermato il più preciso metodo dello zaffiro, che è anche conforme agli standard DIN 51007 e ASTM E 1269.
Metodo Zaffiro
Il metodo dello zaffiro è un metodo comparativo. Vengono effettuate tre misurazioni in condizioni identiche.
- La prima viene effettuata con due crogioli vuoti per determinare la curva del bianco.
- Nella seconda fase, viene misurato come riferimento un disco piatto di zaffiro (ossido di alluminio α) con massa e capacità termica specifica note (il secondo crogiolo rimane vuoto).
- Per la terza misurazione, il disco di zaffiro viene sostituito con il campione con cp sconosciuto e si avvia il programma.
- La curva della capacità termica specifica del campione può quindi essere determinata in funzione della temperatura utilizzando le tre curve di misurazione secondo la seguente equazione:
Questi sono:
- cp,p: capacità termica specifica del campione
- cp,sap: capacità termica specifica dello zaffiro di riferimento
- θp: Flusso di calore del campione
- θ0: Flusso di calore della curva fittizia
- θsap: Flusso di calore del riferimento in zaffiro
- msap: Massa di riferimento dello zaffiro
- mp: massa del campione
Considerazioni sugli errori nella misurazione di Cp
Quando si calcola il Cp, assicurati di utilizzare gli stessi crogioli per tutte e tre le misurazioni. Se ciò non è possibile, è necessario conoscere le masse e i cp dei crogioli. Queste incertezze devono essere prese in considerazione quando si analizza l’errore.
Va inoltre notato che la sensibilità della misurazione diminuisce con l’aumentare della temperatura. Anche il flusso di calore misurato (segnale DSC) del campione è soggetto a errori. È causato dalla resistenza termica tra il sensore e il campione ed è sempre inferiore al flusso di calore reale. Questo errore è amplificato da un profilo di temperatura pronunciato nel materiale durante il riscaldamento. Velocità di riscaldamento eccessivamente elevate, grandi masse e capacità termiche e un cattivo contatto termico tra il campione, il crogiolo e il sensore hanno un effetto particolarmente negativo.
Bisogna anche assicurarsi che la conducibilità termica e la capacità termica specifica del riferimento rientrino nell’intervallo del campione, in modo da ottenere gli stessi flussi di calore.
Misure DSC modulate in base alla temperatura
Se durante una misurazione DSC convenzionale si verificano contemporaneamente effetti di inversione e di non inversione, si verifica una sovrapposizione nel segnale DSC che non consente una valutazione chiara. Il DSC a modulazione di temperatura offre un rimedio, consentendo di separare gli effetti sovrapposti.
La velocità di riscaldamento è sovrapposta a una modulazione sinusoidale della temperatura. Il risultato è un controllo della temperatura in due parti: una parte lineare o costante che interferisce con una parte non lineare con variazioni di temperatura relativamente rapide. Il processo è conforme allo standard ASTM E2716 09.
Il vantaggio di questa misurazione modulata in base alla temperatura è che si possono ottenere precisioni fino all’1% a temperature elevate. Per determinare la capacità termica specifica è necessaria un’operazione che richiede molto tempo. È utile se la cp deve essere misurata durante processi cinetici come reazioni chimiche, cristallizzazione o evaporazione. È inoltre necessario un software di valutazione speciale.
Influenza del materiale del crogiolo
Per le misurazioni DSC, è importante assicurarsi che il crogiolo e il campione siano compatibili. Anche il coperchio del crogiolo influisce sulle misurazioni.
