Въведение
Определянето на специфичния топлинен капацитет (Специфичен топлинен капацитет (cp)Топлинният капацитет е физична величина, специфична за материала, която се определя от количеството топлина, подадено на образеца, разделено на полученото увеличение на температурата. Специфичният топлинен капацитет се отнася за единица маса на образеца.cp) на неръждаемата стомана 1.4301 е от решаващо значение за разбирането на нейното топлинно поведение в реални експлоатационни условия. Тези фундаментални данни за материала са от съществено значение за проектирането и оптимизирането на топлинните процеси в промишлеността. Типичните области на приложение включват проектиране на инсталации и процеси, както и хранително-вкусовата и химическата промишленост, където неръждаемата стомана често се използва като структурен материал. Познаването на точния капацитет за съхранение на топлина е особено важно при приложения, включващи циклични или преходни температурни натоварвания. Това дава възможност за по-реалистично изпълнение на Thermal Simulations и подобрява експлоатационната безопасност и ефективност на компонентите.
DSC-cp, Определяне
Специфичният топлинен капацитет (Специфичен топлинен капацитет (cp)Топлинният капацитет е физична величина, специфична за материала, която се определя от количеството топлина, подадено на образеца, разделено на полученото увеличение на температурата. Специфичният топлинен капацитет се отнася за единица маса на образеца.cp) обикновено се определя с помощта на DSC чрез сравнителен метод на измерване с референтен материал (напр. в съответствие с DIN EN ISO 11357).
Първо се извършва подходящо калибриране на DSC (обикновено температурно калибриране). Всяко определяне на специфичния топлинен капацитет на даден материал включва три измервания: базовото, референтния образец от сапфир и самия образец и след това може да се изчисли съгласно следното уравнение:
Всички измервания се извършват при определена скорост на нагряване в атмосфера от инертен газ, за да се осигурят постоянни условия. Специфичният топлинен капацитет (Специфичен топлинен капацитет (cp)Топлинният капацитет е физична величина, специфична за материала, която се определя от количеството топлина, подадено на образеца, разделено на полученото увеличение на температурата. Специфичният топлинен капацитет се отнася за единица маса на образеца.cp) се определя в определен температурен диапазон. От съществено значение са стабилните изходни линии и високата възпроизводимост на условията на измерване.
По време на измерването DSC записва топлинния поток като функция на температурата. При изчисляването на специфичния топлинен капацитет се взема предвид количеството топлинна енергия, погълнато от пробата в сравнение със стандартния материал. Фазовите преходи или реакциите в пробата могат да повлияят на оценката. Затова трябва да се вземат предвид фазовите преходи от втори ред, като например стъклообразуването, докато фазовите преходи от първи ред, като например процесите на топене, трябва да се изключат.
Резултатът дава зависимия от температурата привиден* специфичен топлинен капацитет на образеца, който може да се използва за характеризиране на материала или за по-нататъшни термофизични изчисления. Точните условия на измерване са показани в таблица 1.
*Привидният специфичен топлинен капацитет е термин в термодинамиката, който се използва за описание на топлинното поведение на материали, които претърпяват фазови преходи (например топене, изпарение) по време на нагряване или охлаждане.
Таблица 1: Параметри на измерване на DSC
| Измервателна глава | DSC-Специфичен топлинен капацитет (cp)Топлинният капацитет е физична величина, специфична за материала, която се определя от количеството топлина, подадено на образеца, разделено на полученото увеличение на температурата. Специфичният топлинен капацитет се отнася за единица маса на образеца.cp на DSC 500 Pegasus® |
|---|---|
| Пещ | Родий |
| Тигел | Pt/Rh тигел с капак (с Al2O3-подложка) |
| Термодвойка за проба | Тип S |
| Промивен газ | Ar (70 ml/min) |
| Температурна програма |
|
| Маса на пробата | 140.952 mg |
| Стандарт за калибриране | Сапфир (83,265 mg) |
Резултати и обсъждане
На фигура 1 е показана измервателната крива, илюстрираща зависимия от температурата привиден специфичен топлинен капацитет (Специфичен топлинен капацитет (cp)Топлинният капацитет е физична величина, специфична за материала, която се определя от количеството топлина, подадено на образеца, разделено на полученото увеличение на температурата. Специфичният топлинен капацитет се отнася за единица маса на образеца.cp) на неръждаема стомана 1.4301 в диапазона от стайна температура до приблизително 1550°C. В началото и по време на нагряването (до приблизително 1200°C) материалът показва, както се очаква, до голяма степен стабилно поведение с леко увеличение на стойностите на cp. Измерените стойности тук варират от приблизително 0,49 до 0,66 J/(g-K). От приблизително 1400°C се наблюдава ясно изразено покачване на кривата на cp. Трансформацията започва приблизително при 1418°C, докато при 1477,5°C се наблюдава ясно изразен ендотермичен ефект. Този рязък пик е типичен за фазов преход от първи порядък и показва процеса на топене на материала. В областта на реакцията на топене е необходима допълнителна енергия за трансформацията от твърдо към течно състояние (латентна топлина), което се отразява в рязко увеличената видима стойност на cp и широката структура на пика. В областта на прехода на топене cp не е еднозначно определен поради латентната топлина, свързана с фазовия преход.
Интегрирането на пика води до трансформационна енталпия от приблизително 232 J/g, която представлява енергийната характеристика на процеса на топене. Крайната точка на трансформацията е при около 1482 °C, като до този момент материалът е напълно в течно състояние.
Резюме
Определянето на специфичния топлинен капацитет предоставя изчерпателна топлофизична информация, която е от решаващо значение за характеризиране на материалите и разработване на процесите. Ключово предимство е, че то улавя пълното топлинно поведение в изключително широк температурен диапазон, включително твърдо състояние, фазови преходи и топене. Това дава възможност да се създават последователни набори от данни за параметри като cp, енталпия и енталпия на топене, без да има пропуски в данните. Освен това измерването до точката на топене позволява недвусмислено идентифициране и количествено определяне на фазовите преходи, особено на температурата на топене и свързаната с нея латентна топлина. Това е от особено значение за сплави като неръждаема стомана 1.4301. Тези данни могат да се включат директно в Thermal Simulations (напр. леене или високотемпературни процеси), което позволява реалистично моделиране на процесите на нагряване, топене и втвърдяване.
DSC 500 Pegasus® позволява прецизни измервания на cp в широк температурен диапазон. Благодарение на високата чувствителност на системата и стабилните условия на измерване могат надеждно да се определят термофизичните свойства на материалите, дори при взискателни високотемпературни приложения.