مقدمة
يُستخدم الحديد النقي بشكل متكرر كمادة مرجعية ومادة اختبار في علم المواد. ونظرًا لخصائصه الفيزيائية الحرارية والمعدنية المعروفة، فإنه يُستخدم للتحقق من صحة طرق القياس ولدراسة الارتباطات الأساسية بين البنية المجهرية والمغناطيسية والسلوك الحراري. بالإضافة إلى السعة الحرارية النوعية (cp) التي تعتمد على درجة الحرارة، فإن الانتقال من الحالة المغناطيسية إلى الحالة شبه المغناطيسية عند درجة حرارة كوري يحظى باهتمام خاص. يؤثر هذا الانتقال على السلوك الفيزيائي الحراري للمادة ويظهر كأثر مميز في منحنى السعة الحرارية.
يتيح جهاز STA 509 Jupiter® التقاط الإشارات الحرارية والجاذبية (DSC-TGA) في وقت واحد، مما يوفر أساسًا قويًا لتوصيف شامل للمواد. وبالاقتران مع نظام مغناطيسي، يمكن الكشف بوضوح عن تحول كوري للحديد النقي عبر إشارة TGA بالإضافة إلى التحديد الدقيق للسعة الحرارية النوعية — كل ذلك في قياس واحد.
ظروف التجربة/القياس
أُجريت القياسات على عينة من الحديد العادي باستخدام جهاز STA 509 Jupiter® في جو من الأرجون. وتم تحديد السعة الحرارية النوعية عن طريق تحليلDSC-cp. وبالتوازي مع ذلك، تم تسجيل إشارة جهاز TGA. كما استُخدم جهاز مغناطيسي للكشف عن تحول كوري (انظر الشكل 1).
تقييم السعة الحرارية النوعية
يتم تحديد السعة الحرارية النوعية (cp) باستخدام طريقة مقارنة مع مادة مرجعية، كما هو موضح، على سبيل المثال، في معيار DIN EN ISO 11357. ويتم حساب السعة الحرارية من خلال تقييم ثلاثة قياسات منفصلة: خط الأساس، ومادة قياسية (الياقوت)، والعينة نفسها. ولتحقيق تحديد موثوق وذو مغزى لقيمة cp، تكتسب قياسات خط الأساس والياقوت القابلة للتكرار أهمية خاصة، حيث تشكل الأساس للتقييم اللاحق. ومن خلال مجموعات البيانات هذه، يمكن تحديد قيمة cp للمادة قيد الدراسة وفقًا للمعادلة المذكورة.
وتتمثل نتيجة التقييم في السعة الحرارية النوعية للمادة قيد الدراسة، والتي تعتمد على درجة الحرارة. ويوفر ذلك أساسًا متينًا لتوصيف المواد، كما يمكن أن يُستخدم كمعامل إدخال لإجراء المزيد من الحسابات الفيزيائية الحرارية.
وفي الوقت نفسه، يتم إجراء القياس باستخدام جهاز مغناطيسي (انظر الشكل 1). ويتيح الجمع بين الإشارتين (TGA-DSC) الكشف عن التحول المغناطيسي بشكل واضح ومدعوم جيدًا بشكل خاص.
يقدم الجدول 1 لمحة عامة عن شروط القياس المستخدمة.
الجدول 1: معلمات قياس STA
| الجهاز | STA 509 Jupiter® |
|---|---|
| قياس الحرارة | TGA/DSC من النوع S |
| الفرن | الروديوم |
| البوتقة | بلاتين/روديوم مع غطاء (مع بطانةمن Al₂O₃ ) |
| البيئة | Ar مع OTS® (70 مل/دقيقة) |
| برنامج درجة الحرارة |
|
| كتلة العينة | 121.871 ملغ |
| معيار المعايرة | الياقوت (55.203 ملغ) |
النتائج والمناقشة
تُظهر السعة الحرارية النوعية المقاسة للحديد النقي في البداية الزيادة المستمرة المتوقعة. وحتى درجة حرارة تبلغ حوالي 700 درجة مئوية، تتوافق القيم التجريبية بشكل جيد جدًّا مع البيانات الواردة في المراجع العلمية. وهذا يدل على الجودة العالية لتحديدالسعة الحرارية النوعية باستخدام جهاز STA 509، ويؤكد ملاءمة النظام لإجراء قياسات فيزيائية حرارية دقيقة على المواد المعدنية. في نطاق تحول كوري، يُظهر منحنىcp تأثيرًا مميزًا يمكن عزوه إلى انتقال الحديد من الحالة المغناطيسية الحديدية إلى الحالة المغناطيسية البارامغناطيسية. علاوة على ذلك، يظهر تأثير التحول (تحول الحالة الصلبة، α-Fe → γ-Fe) عند 918 درجة مئوية. يؤدي هذا الانتقال الطوري من الدرجة الثانية إلى تغير واضح في منحنى السعة الحرارية ويسمح بتحديد درجة حرارة التحول.
بالتزامن مع قياسcp ، تم تسجيل منحنى TGA باستخدام جهاز مغناطيسي. في الحالة المغناطيسية الحديدية، يتفاعل الحديد النقي مع المجال المغناطيسي المطبق. عند بلوغ درجة حرارة كوري، تتحول المادة إلى الحالة شبه المغناطيسية، مما يؤدي إلى تغير مفاجئ في القوة المغناطيسية المستحثة التي تؤثر على العينة، وإظهار منحنى TGA زيادة واضحة في الكتلة. لا ينتج هذا التأثير عن تغير حقيقي في الكتلة، بل عن التغير في القوة المغناطيسية المؤثرة على العينة. تحت درجة حرارة كوري، تنجذب العينة إلى المغناطيس. وفوق درجة حرارة كوري، يفقد الحديد خصائصه المغناطيسية الحديدية. ونتيجة لذلك، لا تعمل القوة الإضافية على العينة بعد الآن، وهو ما يُسجل على أنه تغير في الإشارة في منحنى تحليل الحرارة (TGA).
ترتبط درجة حرارة إشارة TGA المميزة ارتباطًا ممتازًا بتحول كوري المكتشف في منحنىcp. وبالتالي، يوفر الجهاز المغناطيسي تأكيدًا مستقلًا لانتقال الطور المغناطيسي. وفي حالة عدم وجود المجال المغناطيسي، لا يُتوقع حدوث أي تغير ذي صلة في الكتلة في نطاق درجة الحرارة الذي تم فحصه، حيث يتم تحليل العينة في جو خامل داخل نظام قياس محكم الإغلاق، وبالتالي لا تحدث أي عمليات متعلقة بالأكسدة أو أي عمليات أخرى تؤدي إلى تغير الكتلة.
ملخص
يُظهر البحث الذي أُجري على الحديد أنه يمكن تحديد السعة الحرارية النوعية بشكل موثوق ودقيق باستخدام جهاز STA 509 Jupiter®. وتتطابق قيمالسعة الحرارية النوعية (cp) المقاسة بشكل جيد جدًّا مع البيانات الواردة في المراجع العلمية. بالإضافة إلى ذلك، أمكن الكشف عن تحول كوري ليس فقط في منحنىالسعة الحرارية النوعية (cp) ، بل أيضًا في نفس الوقت في منحنى تحليل الحرارة (TGA) باستخدام جهاز مغناطيسي. ترتبط الزيادة المميزة في إشارة TGA عند الوصول إلى درجة حرارة كوري ارتباطًا وثيقًا بتأثير التحول في منحنى السعة الحرارية. ويُظهر هذا التوافق أن جهاز STA 509 Jupiter® قادر على تصوير التحول المغناطيسي في وقت واحد على مستويين مختلفين من الإشارة. وهذا يزيد من الثقة في التفسير ويُبرهن على تعدد استخدامات النظام.
وبالنسبة لتوصيف المواد، يعني هذا أنه يمكن، باستخدام جهاز قياس مناسب، دراسة التأثيرات الحرارية والمغناطيسية على المواد في تجربة واحدة. وهذا أمر ذو أهمية خاصة للمواد القائمة على الحديد ولتحليل التحولات المغناطيسية.