مقدمة
يعد تحديد السعة الحرارية النوعية (cp) للفولاذ المقاوم للصدأ 1.4301 أمرًا بالغ الأهمية لفهم سلوكه الحراري في ظروف التشغيل في العالم الحقيقي. هذه البيانات المادية الأساسية ضرورية لتصميم وتحسين العمليات الحرارية في الصناعة. وتشمل المجالات النموذجية للتطبيق هندسة المصانع والعمليات، وكذلك الصناعات الغذائية والكيميائية، حيث يُستخدم الفولاذ المقاوم للصدأ غالبًا كمادة هيكلية. إن معرفة سعة التخزين الحراري الدقيقة مهمة بشكل خاص في التطبيقات التي تتضمن أحمالاً دورية أو عابرة لدرجات الحرارة. وهذا يتيح إجراء Thermal Simulations أكثر واقعية ويحسن السلامة التشغيلية وكفاءة المكونات.
DSC-cp، تحديد
عادةً ما يتم تحديد السعة الحرارية النوعية (cp) باستخدام DSC عبر طريقة قياس مقارنة مع مادة مرجعية (على سبيل المثال، وفقًا للمعيار DIN EN ISO 11357).
أولاً، يتم إجراء معايرة مناسبة على DSC (عادةً معايرة درجة الحرارة). يتضمن كل تحديد للسعة الحرارية النوعية لمادة ما ثلاثة قياسات؛ خط الأساس وعينة مرجعية من الياقوت وعينة مرجعية من الياقوت والعينة نفسها ويمكن بعد ذلك حسابها وفقًا للمعادلة التالية:
يتم إجراء جميع القياسات عند معدل تسخين محدد في جو غاز خامل لضمان اتساق الظروف. يتم تحديد السعة الحرارية النوعية (cp) ضمن نطاق درجة حرارة محددة. تعتبر خطوط الأساس المستقرة وقابلية التكرار العالية لظروف القياس ضرورية.
أثناء القياس، يسجل DSC تدفق الحرارة كدالة لدرجة الحرارة. عند حساب السعة الحرارية النوعية، تؤخذ في الاعتبار كمية الطاقة الحرارية التي تمتصها العينة مقارنة بالمادة القياسية. قد تؤثر التحولات الطورية أو التفاعلات داخل العينة على التقييم. لذلك يجب أخذ التحولات الطورية من الدرجة الثانية، مثل التحولات الزجاجية، في حين يجب استبعاد التحولات الطورية من الدرجة الأولى، مثل عمليات الذوبان.
توفر النتيجة السعة الحرارية النوعية الظاهرة* للعينة المعتمدة على درجة الحرارة، والتي يمكن استخدامها لتوصيف المواد أو إجراء المزيد من الحسابات الفيزيائية الحرارية. وترد شروط القياس الدقيقة في الجدول 1.
*السعة الحرارية النوعية الظاهرية هي مصطلح في الديناميكا الحرارية يستخدم لوصف السلوك الحراري للمواد التي تمر بانتقالات طورية (على سبيل المثال، الذوبان والتبخر) أثناء التسخين أو التبريد.
الجدول 1: معلمات قياس DSC
| رأس القياس | DSC-cp لجهاز DSC 500 Pegasus® |
|---|---|
| الفرن | الروديوم |
| البوتقة | بوتقة Pt/Rh مع غطاء (مع بطانة Al2O3-Liner) |
| عينة مزدوجة حرارية | النوع S |
| غاز التطهير | Ar (70 مل/دقيقة) |
| برنامج درجة الحرارة |
|
| كتلة العينة | 140.952 مجم |
| معيار المعايرة | الياقوت الأزرق (83.265 مجم) |
النتائج والمناقشة
يوضح الشكل 1 منحنى القياس، الذي يوضح السعة الحرارية النوعية الظاهرة المعتمدة على درجة الحرارة (cp) للفولاذ المقاوم للصدأ 1.4301 في النطاق من درجة حرارة الغرفة إلى 1550 درجة مئوية تقريبًا. في البداية وأثناء التسخين (حتى 1200 درجة مئوية تقريبًا)، تُظهر المادة، كما هو متوقع، سلوكًا مستقرًا إلى حد كبير مع زيادة طفيفة في قيم cp. تتراوح القيم المقاسة هنا من 0.49 إلى 0.66 جول/(g-K) تقريبًا. يمكن ملاحظة ارتفاع واضح في منحنى cp بدءًا من 1400 درجة مئوية تقريبًا. يبدأ التحول عند 1418 درجة مئوية تقريبًا، بينما يُلاحظ تأثير ماص للحرارة واضح عند 1477.5 درجة مئوية. هذه القمة الحادة نموذجية لانتقال طوري من الدرجة الأولى وتشير إلى عملية ذوبان المادة. وفي منطقة تفاعل الانصهار، تكون هناك حاجة إلى طاقة إضافية للتحول من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة (الحرارة الكامنة)، وهو ما ينعكس في الزيادة الحادة في قيمة cp الظاهرية المتزايدة بحدة وبنية القمة العريضة. في نطاق الانتقال الانصهار، لا يتم تحديد cp بشكل فريد بسبب الحرارة الكامنة المرتبطة بالانتقال الطوري.
ينتج عن تكامل الذروة إنثالبي تحول يبلغ حوالي 232 جول/غرام، وهو ما يمثل البصمة الطاقية لعملية الانصهار. تقع نقطة نهاية التحول عند حوالي 1482 درجة مئوية، وعند هذه النقطة تكون المادة في الحالة السائلة بالكامل.
الملخص
ويوفر تحديد السعة الحرارية النوعية معلومات فيزيائية حرارية شاملة ضرورية لتوصيف المواد وتطوير العمليات. وتتمثل الميزة الرئيسية في أنه يلتقط السلوك الحراري الكامل عبر نطاق واسع للغاية من درجات الحرارة، بما في ذلك الحالة الصلبة والانتقالات الطورية والذوبان. ويتيح ذلك إنشاء مجموعات بيانات متسقة لمعلمات مثل cp والإنثالبي وإنثالبي الذوبان، دون أي ثغرات في البيانات. وعلاوة على ذلك، يتيح القياس حتى نقطة الانصهار تحديد التحولات الطورية وقياسها بشكل لا لبس فيه، خاصةً درجة حرارة الانصهار والحرارة الكامنة المرتبطة بها. وهذا مناسب بشكل خاص للسبائك مثل الفولاذ المقاوم للصدأ 1.4301. يمكن دمج هذه البيانات مباشرةً في Thermal Simulations (على سبيل المثال، عمليات الصب أو عمليات درجات الحرارة العالية)، مما يتيح النمذجة الواقعية لعمليات التسخين والذوبان والتصلب.
يتيح DSC 500 Pegasus® إجراء قياسات دقيقة للكلوريد الكربوني عبر نطاق واسع من درجات الحرارة. ونظرًا لحساسية النظام العالية وظروف القياس المستقرة، يمكن تحديد خصائص المواد الفيزيائية الحرارية بشكل موثوق، حتى في التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية الصعبة.