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比熱容量 (Cp)
比熱容量 (Cp)比熱とも呼ばれ、物質の基本的な熱物性である。物質の熱エネルギーを蓄える能力を示し、物質の温度を1ケルビン上昇させるために1グラムの物質に加えなければならない熱量に等しい。この場合、Cpは無限に大きくなる可能性があるため、測定することができない。
比熱容量のSI単位はキロジュール/キログラム×ケルビン[J/g*K)] 。
一般に、比熱容量は入熱量によって 等圧式（Cp、圧力一定時）と等容積式（CV、体積一定時）に区別される。
体積一定では熱量は完全に温度上昇に使われるが、圧力一定では体積変化に必要なのは熱量の一部だけである。
気体や蒸気を測定する際には、このことを考慮しなければならない。
Cpの値が大きいと、ある量の熱を加えてもわずかな温度上昇にしかならないが、値が小さいと、同じ量の熱を加えてもより大きな温度上昇を引き起こすことができる。
固体や液体の比熱容量は0.1～5J/g*Kである。
substance | aluminum | glass | chocolate | cement | water (20 °C) | PET (crystalline, 20°C) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Cp in [J/g*K] | 0,896 | 0,6 bis 0,8 | 3,140 | 0,754 | 4,187 | 1,510 |
表1：いくつかの材料のCp値（Chemie.de）
重要な材料特性として、Cpは仕様書やデータシートに記載されており、エンタルピーやエントロピーなどの熱力学的な量を計算するために使用される。 また、様々な産業における材料とその用途の評価にも役立ちます。
DSCによる比熱容量の測定
熱力学的変数として、Cpを測定する1つの方法は、示差走査熱量測定（DSC）である。 示差走査熱量測定（DSC）.この目的のために、試料とリファレンスはDSCオーブン内で動的温度プログラムを実行する。サンプルとリファレンスの間に生じる温度差は、適切な校正の後、熱流に起因する。
様々な測定方法があります。
直接法では、加熱速度と試料質量で割った熱流からCpを直接計算することができます。
この方法は短時間で行えますが、精度はあまり高くありません。
そのため、より精密なサファイア法が、DIN 51007とASTM E 1269の規格に沿った標準となっています。 DIN 51007およびASTM E 1269規格に沿った標準となっています。.
サファイア方式
これは比較法である。 同一条件下で3回の測定を行う。
- 1つ目は、ブランク曲線を決定するために2つの空のるつぼで行われる。
- 第二段階では、質量と比熱容量が既知の平らなサファイアディスク（α-酸化アルミニウム）を基準として測定し、第二のるつぼは空のままとする。
- 3回目の測定では、サファイアディスクを未知のCpを持つサンプルと交換し、プログラムを再度実行します。
- 試料の比熱容量曲線は、3つの測定曲線を用いて温度の関数として次式に従って求めることができる：
どこでだ：
- Cp,p：試料の比熱容量
- Cp,sap：参照サファイアの比熱容量
- θp：試料のヒートフロー
- θ0：ブランク曲線のヒートフロー
- θsap：サファイアリファレンスのヒートフロー
- msap：サファイア・リファレンスの質量
- mp：試料の質量
Cp測定時の誤差に関する考察
Cp を計算する場合は、 3 回の測定すべてに同じるつぼを使用することを確認する。 これが不可能な場合は、るつぼの質量と Cp がわかっていなければならない。 誤差を考慮する際には、これらの不確かさを考慮に入れなければならない。
また、測定感度は温度が上昇するにつれて低下することにも注意する必要がある。 測定された試料の熱流（DSC信号）にも誤差が生じます。 これはセンサーと試料間の熱抵抗に起因するもので、常に真の熱流量よりも小さくなります。 この誤差は、加熱中の材料の温度プロファイルが顕著な場合に増加します。
過剰な加熱速度、大きな質量、熱容量、および試料、るつぼ、センサー間の熱接触不良はすべて、特に悪影響を及ぼす可能性があります。 さらに、リファレンスの熱伝導率と比熱容量がサンプルの領域にあることを確認し、同じ熱流が得られるようにする必要があります。
温度変調DSC
従来のDSC測定で、 反転効果と非反転効果が同時に起こると、 DSC信号に重なりが生じ、結果の明確な評価ができなくなる。
これを解決するのが温度変調DSCであり、重畳効果を互いに分離することができる。
加熱速度は正弦波温度変調によって重畳される。
その結果、2つの部分からなる温度制御が行われる。つまり、比較的急激な温度変化を伴う非線形部分と干渉する線形または一定部分である。
この手順は ASTM E2716 09規格.
この温度変調測定の利点は、高温でも1%までの精度を達成できることである。
比熱容量の測定には、時間のかかる試運転が必要です。
化学反応、晶析、蒸発のような動力学的プロセス中にCpを測定する必要がある場合は、その価値があります。
さらに 特別な評価ソフトウェア が必要である。
るつぼの材質の影響
DSC測定では、るつぼと試料が適合していることを確認してください。 るつぼの蓋も測定に影響します。
