İçindekiler
Özgül ısı kapasitesi (cp)
Bu özgül ısı kapasitesi (cp)genellikle özgül ısı olarak adlandırılan, bir malzemenin temel bir termofiziksel özelliğidir. Termal enerjiyi depolama yeteneği hakkında bir şeyler söyler. Bir maddenin sıcaklığını bir Kelvin artırmak için bir gram kütleye eklenmesi gereken ısı miktarını gösterir. Birinci dereceden faz dönüşümü (örneğin erime) gerçekleşmemelidir, çünkü bu durumda cp sonsuz büyük olabilir ve bu nedenle bu sırada ölçülemez.
Özgül ısı kapasitesinin SI birimi gram başına Joule çarpı Kelvin [J/g*K)]’dir.
Genel olarak, özgül ısı kapasitesi ısı girdisine bağlı olarak izobarik (cp; sabit basınçta) ve izokorik ısı kapasitesi (cV, sabit hacimde) olarak ikiye ayrılabilir. Sabit hacimde ısı miktarı tamamen sıcaklığı arttırmak için kullanılırken, sabit basınçta ısının bir kısmı hacimdeki değişim için gereklidir. Gazlar ve buharlar ölçülürken bu durum göz önünde bulundurulmalıdır.
Büyük bir Cp değerinde, belirli bir ısı miktarı sıcaklıkta yalnızca küçük bir artışa yol açarken, değer küçükse, aynı miktarda ısı sıcaklıkta daha büyük bir artışa neden olabilir. Katı ve sıvılar için özgül ısı kapasitesi 0,1 ile 5 J/g*K arasındadır.
| 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 |
Tablo 1: Bazı malzemelerin cp değerleri (Chemie.de/kern.de)
Önemli bir malzeme özelliği olarak cp, spesifikasyonlarda ve veri sayfalarında listelenir; aşağıdaki gibi termodinamik değerleri hesaplamak için kullanılır entalpi ve entropi. Ayrıca, tüm endüstriyel sektörlerde malzemelerin ve uygulamalarının değerlendirilmesine yardımcı olur.
DSC kullanarak özgül ısı kapasitesinin belirlenmesi
Termodinamik bir büyüklük olarak cp, aşağıdaki yöntemlerlebelirlenebilir diferansiyel taramalı kalorimetri (Diferansiyel Tarama Kalorimetrisi: DSC). Bunu yapmak için, numune ve referans DSC fırınında dinamik bir sıcaklık programına tabi tutulur. Numune ve fark arasında oluşan sıcaklık farkı, uygun kalibrasyondan sonra bir ısı akışına atanır. Farklı ölçüm yöntemleri mevcuttur.
Doğrudan yöntemle, cpdoğrudan ısı akışının ısıtma hızı ve numune kütlesine bölünmesiyle hesaplanır. Yöntem hızlıdır, ancak çok doğru değildir. Bu nedenle, DIN 51007 ve ASTM E 1269 standartlarına da uygun olan daha doğru safir yöntemi yerleşmiştir.
Safir yöntemi
Safir yöntemi karşılaştırmalı bir yöntemdir. Aynı koşullar altında üç ölçüm gerçekleştirilir.
- Birincisi, boş eğriyi belirlemek için iki boş kroze ile gerçekleştirilir.
- İkinci adımda, kütlesi ve özgül ısı kapasitesi bilinen düz bir safir disk (α-alüminyum oksit) referans olarak ölçülür (ikinci kroze boş kalır).
- Üçüncü ölçüm için safir disk, cp değeri bilinmeyen numune ile değiştirilir ve program çalıştırılır.
- Numunenin özgül ısı kapasitesi eğrisi daha sonra aşağıdaki denkleme göre üç ölçüm eğrisi kullanılarak sıcaklığın bir fonksiyonu olarak belirlenebilir:
Bunlar:
- cp,p: numunenin özgül ısı kapasitesi
- cp,sap: safir referansın özgül ısı kapasitesi
- θp: Numunenin ısı akışı
- θ0: Kukla eğrinin ısı akışı
- θsap: Safir referansın ısı akışı
- msap: Safir referansının kütlesi
- mp: numunenin kütlesi
Cp ölçülürken dikkat edilmesi gereken hatalar
Cp’yi hesaplarken, her üç ölçüm için de aynı krozelerin kullanıldığından emin olun. Eğer bu mümkün değilse, potaların kütleleri ve cp değerleri bilinmelidir. Hata analiz edilirken bu belirsizlikler dikkate alınmalıdır.
Ölçüm hassasiyetinin artan sıcaklıkla birlikte azaldığı da unutulmamalıdır. Numunenin ölçülen ısı akışı (DSC sinyali) da hatalara tabidir. Sensör ve numune arasındaki termal dirençten kaynaklanır ve her zaman gerçek ısı akışından daha küçüktür. Bu hata, ısıtma sırasında malzemedeki belirgin bir sıcaklık profili ile büyütülür. Aşırı yüksek ısıtma hızları, büyük kütleler ve ısı kapasitelerinin yanı sıra numune, kroze ve sensör arasındaki zayıf termal temas özellikle olumsuz bir etkiye sahiptir.
Aynı ısı akışlarının elde edilebilmesi için referansın termal iletkenliğinin ve özgül ısı kapasitesinin numunenin aralığında olmasına da dikkat edilmelidir.
Sıcaklık modülasyonlu DSC ölçümleri
Geleneksel bir DSC ölçümü sırasında tersine çevirici ve tersine çevirici olmayan etkiler aynı anda meydana gelirse, DSC sinyalinde bir üst üste binme meydana gelir, böylece net bir değerlendirme mümkün olmaz. Sıcaklık modülasyonlu DSC, üst üste binen etkilerin birbirinden ayrılmasına olanak tanıyan bir çözüm sunar.
Isıtma hızı, sinüzoidal bir sıcaklık modülasyonu ile üst üste bindirilir. Sonuç, iki parçalı bir sıcaklık kontrolüdür: nispeten hızlı sıcaklık değişimleri ile doğrusal olmayan bir parçaya müdahale eden doğrusal veya sabit bir parça. İşlem ASTM E2716 09 standardına uygundur.
Bu sıcaklık modülasyonlu ölçümün avantajı, yüksek sıcaklıklarda %1’e varan hassasiyetlerin elde edilebilmesidir. Özgül ısı kapasitesini belirlemek için zaman alıcı bir çalışma gereklidir. Eğer cp kimyasal reaksiyonlar, kristalleşme veya buharlaşma gibi kinetik süreçler sırasında ölçülecekse bu faydalı olacaktır. Özel değerlendirme yazılımı da gereklidir.
Kroze malzemesinin etkisi
DSC ölçümleri için, kroze ve numunenin uyumlu olduğundan emin olmak önemlidir. Kroze kapağının da ölçümler üzerinde etkisi vardır.
