Spis treści
Pojemność cieplna właściwa (cp)
Pojemność cieplna Pojemność cieplna właściwa (cp) często określana jako ciepło właściwe, jest podstawową właściwością termofizyczną materiału. Mówi ona o zdolności do magazynowania energii cieplnej. Wskazuje ilość ciepła, którą należy dodać do jednego grama masy substancji, aby zwiększyć jej temperaturę o jeden Kelwin. Żadna przemiana fazowa pierwszego rzędu (np. topnienie) nie powinna mieć miejsca, ponieważ w takim przypadku cp może być nieskończenie duże i dlatego nie można go zmierzyć.
Jednostką ciepła właściwego w układzie SI jest dżul na gram razy Kelwin [J/g*K].
Ogólnie rzecz biorąc, pojemność cieplną właściwą można podzielić na izobaryczną ( cp; przy stałym ciśnieniu) i izochoryczną pojemność cieplną (cV, przy stałej objętości) w oparciu o pobrane ciepło. Podczas gdy przy stałej objętości ilość ciepła jest całkowicie wykorzystywana do zwiększenia temperatury, przy stałym ciśnieniu część ciepła jest wymagana do zmiany objętości. Należy to uwzględnić podczas pomiaru gazów i oparów.
Przy dużej wartości Cp, pewna ilość ciepła prowadzi tylko do niewielkiego wzrostu temperatury, podczas gdy jeśli wartość jest mała, ta sama ilość ciepła może spowodować większy wzrost temperatury. Pojemność cieplna właściwa dla ciał stałych i cieczy wynosi od 0,1 do 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 |
Tabela 1: Wartości cp niektórych materiałów (Chemie.de/kern.de)
Jako ważna właściwość materiału, cp jest wymieniona w specyfikacjach i arkuszach danych; jest używana do obliczania wartości termodynamicznych, takich jak entalpia i entropia. Pomaga również w ocenie materiałów i ich zastosowań we wszystkich sektorach przemysłu.
Określenie pojemności cieplnej właściwej przy użyciu DSC
Jako wielkość termodynamiczna, cp może byćokreślona za pomocą różnicowej kalorymetrii skaningowej (różnicowa kalorymetria skaningowa: DSC). W tym celu próbka i odnośnik są poddawane dynamicznemu programowi temperaturowemu w piecu DSC. Różnica temperatur, która tworzy się między próbką a różnicą, jest przypisywana do przepływu ciepła po odpowiedniej kalibracji. Dostępne są różne metody pomiaru.
W metodzie bezpośredniej cp jest obliczanebezpośrednio na podstawie przepływu ciepła podzielonego przez szybkość ogrzewania i masę próbki. Metoda ta jest szybka, ale niezbyt dokładna. Z tego powodu opracowano dokładniejszą metodę szafirową, która jest również zgodna z normami DIN 51007 i ASTM E 1269.
Metoda szafirowa
Metoda szafirowa jest metodą porównawczą. Przeprowadzane są trzy pomiary w identycznych warunkach.
- Pierwszy z nich jest przeprowadzany z dwoma pustymi tyglami w celu wyznaczenia krzywej ślepej.
- W drugim etapie, płaski szafirowy krążek (tlenek glinu α) o znanej masie i znanej pojemności cieplnej właściwej jest mierzony jako odniesienie (drugi tygiel pozostaje pusty).
- W przypadku trzeciego pomiaru, szafirowy dysk jest zastępowany próbką o nieznanym cp i uruchamiany jest program.
- Krzywą pojemności cieplnej właściwej próbki można następnie wyznaczyć jako funkcję temperatury przy użyciu trzech krzywych pomiarowych zgodnie z następującym równaniem:
Są to:
- cp,p: pojemność cieplna właściwa próbki
- cp,sap: pojemność cieplna właściwa szafiru odniesienia
- θp: Przepływ ciepła przez próbkę
- θ0: Przepływ ciepła krzywej obojętnej
- θsap: Przepływ ciepła szafirowego układu odniesienia
- msap: masa szafirowego odniesienia
- mp: masa próbki
Uwzględnienie błędów podczas pomiaru Cp
Podczas obliczania Cp należy upewnić się, że do wszystkich trzech pomiarów używane są te same tygle. Jeśli nie jest to możliwe, masy i cp tygli muszą być znane. Niepewności te należy uwzględnić podczas analizy błędu.
Należy również zauważyć, że czułość pomiaru maleje wraz ze wzrostem temperatury. Zmierzony przepływ ciepła (sygnał DSC) próbki również podlega błędom. Jest on spowodowany oporem cieplnym między czujnikiem a próbką i jest zawsze mniejszy niż rzeczywisty przepływ ciepła. Błąd ten jest powiększany przez wyraźny profil temperatury w materiale podczas ogrzewania. Zbyt wysokie szybkości ogrzewania, duże masy i pojemności cieplne, a także słaby kontakt termiczny między próbką, tyglem i czujnikiem mają szczególnie negatywny wpływ.
Należy również zadbać o to, aby przewodność cieplna i pojemność cieplna właściwa odniesienia mieściły się w zakresie próbki, tak aby można było uzyskać takie same przepływy ciepła.
Pomiary DSC z modulacją temperatury
Jeśli efekty odwracające i nieodwracające występują jednocześnie podczas konwencjonalnego pomiaru DSC, w sygnale DSC występuje superpozycja, co uniemożliwia jednoznaczną ocenę. DSC z modulacją temperatury oferuje rozwiązanie, pozwalając na oddzielenie od siebie nałożonych efektów.
Na szybkość ogrzewania nakłada się sinusoidalna modulacja temperatury. Rezultatem jest dwuczęściowa kontrola temperatury: liniowa lub stała część, która koliduje z nieliniową częścią o stosunkowo szybkich zmianach temperatury. Proces jest zgodny z normą ASTM E2716 09.
Zaletą tego modulowanego temperaturowo pomiaru jest to, że w wysokich temperaturach można osiągnąć dokładność do 1%. Określenie pojemności cieplnej właściwej wymaga czasochłonnej procedury. Jest to opłacalne, jeśli cp ma być mierzone podczas procesów kinetycznych, takich jak reakcje chemiczne, krystalizacja lub parowanie. Wymagane jest również specjalne oprogramowanie do oceny.
Wpływ materiału tygla
W przypadku pomiarów DSC ważne jest, aby tygiel i próbka były kompatybilne. Pokrywa tygla również ma wpływ na wyniki pomiarów.
