Εισαγωγή
Ο προσδιορισμός της ειδικής θερμοχωρητικότητας (Ειδική θερμοχωρητικότητα (cp)Η θερμοχωρητικότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος ειδικό για κάθε υλικό, το οποίο καθορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο δείγμα, διαιρούμενη με την προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σχετίζεται με τη μονάδα μάζας του δείγματος.cp) του ανοξείδωτου χάλυβα 1.4301 είναι ζωτικής σημασίας για την κατανόηση της θερμικής συμπεριφοράς του σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας. Αυτά τα θεμελιώδη δεδομένα του υλικού είναι απαραίτητα για το σχεδιασμό και τη βελτιστοποίηση των θερμικών διεργασιών στη βιομηχανία. Τυπικοί τομείς εφαρμογής περιλαμβάνουν τη μηχανική εγκαταστάσεων και διεργασιών, καθώς και τη βιομηχανία τροφίμων και τη χημική βιομηχανία, όπου ο ανοξείδωτος χάλυβας χρησιμοποιείται συχνά ως δομικό υλικό. Η γνώση της ακριβούς ικανότητας αποθήκευσης θερμότητας είναι ιδιαίτερα σημαντική σε εφαρμογές που περιλαμβάνουν κυκλικά ή μεταβατικά θερμοκρασιακά φορτία. Αυτό επιτρέπει την πραγματοποίηση πιο ρεαλιστικών Thermal Simulations και βελτιώνει τη λειτουργική ασφάλεια και αποδοτικότητα των εξαρτημάτων.
DSC-cp, Προσδιορισμός
Η ειδική θερμοχωρητικότητα (Ειδική θερμοχωρητικότητα (cp)Η θερμοχωρητικότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος ειδικό για κάθε υλικό, το οποίο καθορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο δείγμα, διαιρούμενη με την προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σχετίζεται με τη μονάδα μάζας του δείγματος.cp) προσδιορίζεται συνήθως με DSC μέσω μιας συγκριτικής μεθόδου μέτρησης με ένα υλικό αναφοράς (π.χ. σύμφωνα με το DIN EN ISO 11357).
Αρχικά, πραγματοποιείται κατάλληλη βαθμονόμηση στο DSC (συνήθως βαθμονόμηση θερμοκρασίας). Κάθε προσδιορισμός της ειδικής θερμοχωρητικότητας ενός υλικού περιλαμβάνει τρεις μετρήσεις: τη γραμμή βάσης, ένα δείγμα αναφοράς ζαφείρι και το ίδιο το δείγμα και μπορεί στη συνέχεια να υπολογιστεί σύμφωνα με την ακόλουθη εξίσωση:
Όλες οι μετρήσεις πραγματοποιούνται με καθορισμένο ρυθμό θέρμανσης σε ατμόσφαιρα αδρανούς αερίου για να εξασφαλίζονται σταθερές συνθήκες. Η ειδική θερμοχωρητικότητα (Ειδική θερμοχωρητικότητα (cp)Η θερμοχωρητικότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος ειδικό για κάθε υλικό, το οποίο καθορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο δείγμα, διαιρούμενη με την προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σχετίζεται με τη μονάδα μάζας του δείγματος.cp) προσδιορίζεται εντός ενός καθορισμένου εύρους θερμοκρασιών. Οι σταθερές γραμμές βάσης και η υψηλή αναπαραγωγιμότητα των συνθηκών μέτρησης είναι απαραίτητες.
Κατά τη διάρκεια της μέτρησης, το DSC καταγράφει τη ροή θερμότητας ως συνάρτηση της θερμοκρασίας. Κατά τον υπολογισμό της ειδικής θερμοχωρητικότητας λαμβάνεται υπόψη η ποσότητα θερμικής ενέργειας που απορροφάται από το δείγμα σε σύγκριση με το πρότυπο υλικό. Οι μεταβάσεις φάσης ή οι αντιδράσεις εντός του δείγματος ενδέχεται να επηρεάσουν την αξιολόγηση. Επομένως, πρέπει να λαμβάνονται υπόψη οι μεταβάσεις φάσης δεύτερης τάξης, όπως οι μεταβάσεις υάλου, ενώ πρέπει να αποκλείονται οι μεταβάσεις φάσης πρώτης τάξης, όπως οι διεργασίες τήξης.
Το αποτέλεσμα παρέχει την εξαρτώμενη από τη θερμοκρασία φαινόμενη* ειδική θερμοχωρητικότητα του δείγματος, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον χαρακτηρισμό του υλικού ή για περαιτέρω θερμοφυσικούς υπολογισμούς. Οι ακριβείς συνθήκες μέτρησης παρουσιάζονται στον πίνακα 1.
*Η φαινόμενη ειδική θερμοχωρητικότητα είναι ένας όρος της θερμοδυναμικής, που χρησιμοποιείται για να περιγράψει τη θερμική συμπεριφορά υλικών που υφίστανται μεταβάσεις φάσης (π.χ. τήξη, εξάτμιση) κατά τη θέρμανση ή την ψύξη.
Πίνακας 1: Παράμετροι μέτρησης DSC
| Κεφαλή μέτρησης | DSC-Ειδική θερμοχωρητικότητα (cp)Η θερμοχωρητικότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος ειδικό για κάθε υλικό, το οποίο καθορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο δείγμα, διαιρούμενη με την προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σχετίζεται με τη μονάδα μάζας του δείγματος.cp του DSC 500 Pegasus® |
|---|---|
| Φούρνος | Ρόδιο |
| Χωνευτήρι | Χωνευτήρι Pt/Rh με καπάκι (με Al2O3-Liner) |
| Θερμοστοιχείο δείγματος | Τύπος S |
| Αέριο καθαρισμού | Ar (70 ml/min) |
| Πρόγραμμα θερμοκρασίας |
|
| Μάζα δείγματος | 140.952 mg |
| Πρότυπο βαθμονόμησης | Ζαφείρι (83,265 mg) |
Αποτελέσματα και συζήτηση
Στο Σχήμα 1 παρουσιάζεται η καμπύλη μέτρησης, η οποία απεικονίζει την εξαρτώμενη από τη θερμοκρασία φαινόμενη ειδική θερμοχωρητικότητα (Ειδική θερμοχωρητικότητα (cp)Η θερμοχωρητικότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος ειδικό για κάθε υλικό, το οποίο καθορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο δείγμα, διαιρούμενη με την προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σχετίζεται με τη μονάδα μάζας του δείγματος.cp) του ανοξείδωτου χάλυβα 1.4301 στο εύρος από τη θερμοκρασία δωματίου έως τους 1550°C περίπου. Στην αρχή και κατά τη διάρκεια της θέρμανσης (μέχρι περίπου 1200°C), το υλικό παρουσιάζει, όπως αναμένεται, σε μεγάλο βαθμό σταθερή συμπεριφορά με ελαφρά αύξηση των τιμών της Ειδική θερμοχωρητικότητα (cp)Η θερμοχωρητικότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος ειδικό για κάθε υλικό, το οποίο καθορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο δείγμα, διαιρούμενη με την προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σχετίζεται με τη μονάδα μάζας του δείγματος.cp. Οι μετρούμενες τιμές εδώ κυμαίνονται από περίπου 0,49 έως 0,66 J/(g-K). Παρατηρείται σαφής άνοδος της καμπύλης Ειδική θερμοχωρητικότητα (cp)Η θερμοχωρητικότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος ειδικό για κάθε υλικό, το οποίο καθορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο δείγμα, διαιρούμενη με την προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σχετίζεται με τη μονάδα μάζας του δείγματος.cp από τους 1400°C περίπου. Ο μετασχηματισμός αρχίζει περίπου στους 1418°C, ενώ παρατηρείται έντονη ενδόθερμη επίδραση στους 1477,5°C. Αυτή η απότομη κορυφή είναι χαρακτηριστική μιας μετάβασης φάσης πρώτης τάξης και υποδηλώνει τη διαδικασία τήξης του υλικού. Στην περιοχή της αντίδρασης τήξης, απαιτείται πρόσθετη ενέργεια για τη μετατροπή από τη στερεά στην υγρή κατάσταση (λανθάνουσα θερμότητα), η οποία αντικατοπτρίζεται στην απότομα αυξημένη τιμή του φαινόμενου Ειδική θερμοχωρητικότητα (cp)Η θερμοχωρητικότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος ειδικό για κάθε υλικό, το οποίο καθορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο δείγμα, διαιρούμενη με την προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σχετίζεται με τη μονάδα μάζας του δείγματος.cp και στην ευρεία δομή της κορυφής. Στην περιοχή της μετάβασης τήξης, η Ειδική θερμοχωρητικότητα (cp)Η θερμοχωρητικότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος ειδικό για κάθε υλικό, το οποίο καθορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο δείγμα, διαιρούμενη με την προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σχετίζεται με τη μονάδα μάζας του δείγματος.cp δεν είναι μονοσήμαντα καθορισμένη λόγω της λανθάνουσας θερμότητας που σχετίζεται με τη μετάβαση φάσης.
Η ολοκλήρωση της κορυφής δίνει μια ενθαλπία μετασχηματισμού περίπου 232 J/g, που αντιπροσωπεύει την ενεργειακή υπογραφή της διαδικασίας τήξης. Το τελικό σημείο του μετασχηματισμού είναι περίπου στους 1482°C, οπότε το υλικό βρίσκεται πλήρως σε υγρή κατάσταση.
Περίληψη
Ο προσδιορισμός της ειδικής θερμοχωρητικότητας παρέχει ολοκληρωμένες θερμοφυσικές πληροφορίες που είναι ζωτικής σημασίας για τον χαρακτηρισμό των υλικών και την ανάπτυξη διεργασιών. Ένα βασικό πλεονέκτημα είναι ότι καταγράφει την πλήρη θερμική συμπεριφορά σε ένα εξαιρετικά ευρύ φάσμα θερμοκρασιών, συμπεριλαμβανομένης της στερεάς κατάστασης, των μεταβάσεων φάσης και της τήξης. Αυτό επιτρέπει τη δημιουργία συνεπών συνόλων δεδομένων για παραμέτρους όπως η Ειδική θερμοχωρητικότητα (cp)Η θερμοχωρητικότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος ειδικό για κάθε υλικό, το οποίο καθορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο δείγμα, διαιρούμενη με την προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σχετίζεται με τη μονάδα μάζας του δείγματος.cp, η ενθαλπία και η ενθαλπία τήξης, χωρίς κενά δεδομένων. Επιπλέον, η μέτρηση μέχρι το σημείο τήξης επιτρέπει τον αδιαμφισβήτητο προσδιορισμό και την ποσοτικοποίηση των μεταβάσεων φάσης, ιδίως της θερμοκρασίας τήξης και της σχετικής λανθάνουσας θερμότητας. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό για κράματα όπως ο ανοξείδωτος χάλυβας 1.4301. Τα δεδομένα αυτά μπορούν να ενσωματωθούν απευθείας στη διεύθυνση Thermal Simulations (π.χ. χύτευση ή διεργασίες υψηλής θερμοκρασίας), επιτρέποντας τη ρεαλιστική μοντελοποίηση των διεργασιών θέρμανσης, τήξης και στερεοποίησης.
Το DSC 500 Pegasus® επιτρέπει ακριβείς μετρήσεις cp σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών. Λόγω της υψηλής ευαισθησίας του συστήματος και των σταθερών συνθηκών μέτρησης, μπορούν να προσδιοριστούν αξιόπιστα οι θερμοφυσικές ιδιότητες των υλικών, ακόμη και σε απαιτητικές εφαρμογές υψηλών θερμοκρασιών.