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Medição da capacidade térmica específica (Cp) utilizando a análise de flash laser (LFA)

Parâmetros termofísicos

A capacidade térmica específica cp , a difusividade térmica a e a condutividade térmica λ são propriedades termofísicas importantes para caraterizar a condutividade térmica dos materiais.
Dependendo do material a ser analisado, da temperatura de medição e da precisão necessária, existem diferentes métodos de medição estão disponíveis.

Como funciona a análise de flash laser

A análise por flash laser é frequentemente utilizada para analisar sólidos e líquidos em pequenas quantidades de amostras. Está em conformidade com as normas ASTM E1461, DIN EN 821, ASTM C714.

O método remonta a Parker et al. que desenvolveram a análise em 1961 para medir as três propriedades termofísicas cp, a e λ.

O princípio da análise de flash laser (abreviado LFA ) baseia-se numa entrada vertical de energia na parte inferior da amostra. A difusividade térmica do material da amostra é determinada a partir do intervalo de tempo entre a entrada de energia na parte inferior da amostra e a saída de energia na parte superior da amostra.

Como a difusividade térmica depende da temperatura, a amostra é levada à temperatura desejada num forno; a medição subsequente é então isotérmica. Para este efeito, a parte inferior de uma amostra é exposta a um impulso de energia curto (lâmpada de xénon ou laser).

A energia absorvida leva a um aumento de temperatura numa camada fina na superfície da amostra. Este aumento de temperatura espalha-se por toda a amostra, de modo que também ocorre um aumento de temperatura no topo da amostra, que é registado em função do tempo utilizando um detetor de infravermelhos.

Se a espessura d (em cm) da amostra for conhecida, a difusividade térmica a (em cm2/s) pode ser calculada a partir do aumento de temperatura ao longo do tempo utilizando a função analítica de aumento de temperatura de acordo com a seguinte fórmula

No entanto, este cálculo não tem em conta a perda de calor da amostra ou uma duração não infinitamente curta do impulso de energia. Na realidade, parte do calor fornecido perde-se por radiação, convecção ou dissipação de calor no ambiente da amostra. Estes efeitos foram corrigidos por vários procedimentos matemáticos, tais como soluções de aproximação iterativa, e são implementados em software de avaliação especial, de modo que, em última análise, o método de flash laser fornece resultados de medição muito precisos numa vasta gama de temperaturas.

Determinação de Cp por análise de flash laser

A determinação do cp pode ser efectuada utilizando uma análise de flash laser através de um procedimento de comparação. Para este efeito, o dispositivo LFA é calibrado com uma referência com um cp conhecido. A amostra é então medida exatamente nas mesmas condições (dimensões, revestimento de grafite e programa de temperatura).

Sobre a relação

a capacidade térmica específica da amostra pode então ser calculada utilizando

ser determinado.

Se a densidade do material da amostra também for determinada, é possível calcular λ através da correlação.
A capacidade térmica específica também pode ser determinada utilizando A capacidade térmica específica pode ser determinada utilizando a calorimetria dinâmica diferencial de varrimento (DSC) pode ser determinada.

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