Introduktion
Bestemmelse af den specifikke varmekapacitet (Specifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.cp) for 1.4301 rustfrit stål er afgørende for at forstå dets termiske opførsel under virkelige driftsforhold. Disse grundlæggende materialedata er afgørende for design og optimering af termiske processer i industrien. Typiske anvendelsesområder omfatter anlægs- og procesteknik samt fødevare- og kemikalieindustrien, hvor rustfrit stål ofte bruges som konstruktionsmateriale. Viden om præcis varmelagringskapacitet er især vigtig i applikationer, der involverer cykliske eller forbigående temperaturbelastninger. Det gør det muligt at udføre mere realistiske Thermal Simulations og forbedrer komponenternes driftssikkerhed og effektivitet.
DSC-cp, Bestemmelse
Den specifikke varmekapacitet (Specifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.cp) bestemmes typisk ved hjælp af DSC via en sammenlignende målemetode med et referencemateriale (f.eks. i overensstemmelse med DIN EN ISO 11357).
Først udføres en passende kalibrering af DSC'en (normalt temperaturkalibrering). Hver bestemmelse af et materiales specifikke varmekapacitet omfatter tre målinger: basislinjen, en safirreferenceprøve og selve prøven, og den kan derefter beregnes i henhold til følgende ligning:
Alle målinger udføres ved en defineret opvarmningshastighed i en inert gasatmosfære for at sikre ensartede forhold. Den specifikke varmekapacitet (Specifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.cp) bestemmes inden for et defineret temperaturområde. Stabile basislinjer og høj reproducerbarhed af målebetingelserne er afgørende.
Under målingen registrerer DSC'en varmestrømmen som en funktion af temperaturen. Ved beregning af den specifikke varmekapacitet tages der højde for den mængde varmeenergi, der absorberes af prøven sammenlignet med standardmaterialet. FaseovergangeUdtrykket faseovergang (eller faseændring) bruges oftest til at beskrive overgange mellem fast, flydende og gasformig tilstand.Faseovergange eller reaktioner i prøven kan påvirke evalueringen. Andenordens FaseovergangeUdtrykket faseovergang (eller faseændring) bruges oftest til at beskrive overgange mellem fast, flydende og gasformig tilstand.faseovergange, som f.eks. glasovergange, skal derfor tages i betragtning, mens førsteordens FaseovergangeUdtrykket faseovergang (eller faseændring) bruges oftest til at beskrive overgange mellem fast, flydende og gasformig tilstand.faseovergange, som f.eks. smelteprocesser, skal udelukkes.
Resultatet giver den temperaturafhængige tilsyneladende* specifikke varmekapacitet for prøven, som kan bruges til materialekarakterisering eller yderligere termofysiske beregninger. De nøjagtige målebetingelser er vist i tabel 1.
*Den tilsyneladende specifikke varmekapacitet er et udtryk inden for termodynamik, der bruges til at beskrive den termiske opførsel af materialer, der gennemgår FaseovergangeUdtrykket faseovergang (eller faseændring) bruges oftest til at beskrive overgange mellem fast, flydende og gasformig tilstand.faseovergange (f.eks. Smeltetemperaturer og entalpierEt stofs fusionsenthalpi, også kendt som latent varme, er et mål for den energitilførsel, typisk varme, der er nødvendig for at omdanne et stof fra fast til flydende tilstand. Et stofs smeltepunkt er den temperatur, hvor det skifter tilstand fra fast (krystallinsk) til flydende (isotropisk smelte).smeltning, FordampningFordampning af et grundstof eller en forbindelse er en faseovergang fra væskefase til damp. Der findes to typer fordampning: fordampning og kogning.fordampning) under opvarmning eller afkøling.
Tabel 1: DSC-måleparametre
| Målehoved | DSC-Specifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.cp af DSC 500 Pegasus® |
|---|---|
| Ovn | Rhodium |
| Digel | Pt/Rh digel med låg (med Al2O3-foring) |
| Termoelement til prøve | Type S |
| Udrensningsgas | Ar (70 ml/min) |
| Temperaturprogram |
|
| Masse af prøve | 140.952 mg |
| Kalibreringsstandard | Safir (83,265 mg) |
Resultater og diskussion
Figur 1 viser målekurven, der illustrerer den temperaturafhængige tilsyneladende specifikke varmekapacitet (Specifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.cp) for 1.4301 rustfrit stål i området fra stuetemperatur til ca. 1550 °C. I begyndelsen og under opvarmningen (op til ca. 1200 °C) viser materialet som forventet en stort set stabil opførsel med en lille stigning i Specifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.cp-værdierne. De målte værdier her spænder fra ca. 0,49 til 0,66 J/(g-K). En tydelig stigning i Specifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.cp-kurven kan observeres fra ca. 1400 °C. Omdannelsen starter ved ca. 1418 °C, mens en udtalt endotermisk effekt observeres ved 1477,5 °C. Denne skarpe top er typisk for en førsteordens FaseovergangeUdtrykket faseovergang (eller faseændring) bruges oftest til at beskrive overgange mellem fast, flydende og gasformig tilstand.faseovergang og indikerer materialets smelteproces. I området for smeltningsreaktionen kræves der yderligere energi til omdannelsen fra fast til flydende tilstand (latent varme), hvilket afspejles i den kraftigt øgede tilsyneladende Specifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.cp-værdi og den brede topstruktur. I området for en smelteovergang er Specifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.cp ikke entydigt defineret på grund af den latente varme, der er forbundet med faseovergangen.
Integration af toppen giver en transformationsenthalpi på ca. 232 J/g, hvilket repræsenterer den energimæssige signatur af smelteprocessen. Transformationens slutpunkt er ved ca. 1482 °C, hvor materialet er helt i flydende tilstand.
Sammenfatning
Bestemmelse af den specifikke varmekapacitet giver omfattende termofysiske oplysninger, som er afgørende for karakterisering af materialer og udvikling af processer. En vigtig fordel er, at den indfanger den fulde termiske opførsel over et ekstremt bredt temperaturområde, herunder den faste tilstand, FaseovergangeUdtrykket faseovergang (eller faseændring) bruges oftest til at beskrive overgange mellem fast, flydende og gasformig tilstand.faseovergange og Smeltetemperaturer og entalpierEt stofs fusionsenthalpi, også kendt som latent varme, er et mål for den energitilførsel, typisk varme, der er nødvendig for at omdanne et stof fra fast til flydende tilstand. Et stofs smeltepunkt er den temperatur, hvor det skifter tilstand fra fast (krystallinsk) til flydende (isotropisk smelte).smeltning. Det gør det muligt at skabe konsistente datasæt for parametre som Specifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.cp, entalpi og smelteentalpi uden datahuller. Desuden giver måling ned til smeltepunktet mulighed for entydig identifikation og kvantificering af FaseovergangeUdtrykket faseovergang (eller faseændring) bruges oftest til at beskrive overgange mellem fast, flydende og gasformig tilstand.faseovergange, især smeltetemperaturen og den tilhørende latente varme. Dette er især relevant for legeringer som f.eks. 1.4301 rustfrit stål. Disse data kan indarbejdes direkte i Thermal Simulations (f.eks. støbning eller højtemperaturprocesser), hvilket muliggør en realistisk modellering af opvarmnings-, smelte- og størkningsprocesser.
DSC 500 Pegasus® giver mulighed for præcise cp-målinger over et bredt temperaturområde. På grund af systemets høje følsomhed og stabile målebetingelser kan termofysiske materialeegenskaber bestemmes pålideligt, selv i krævende højtemperaturapplikationer.