Introducción
Determinar la Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.capacidad calorífica específica (Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.cp) del acero inoxidable 1.4301 es crucial para comprender su comportamiento térmico en condiciones de funcionamiento reales. Estos datos fundamentales del material son esenciales para diseñar y optimizar los procesos térmicos en la industria. Los campos de aplicación típicos incluyen la ingeniería de plantas y procesos, así como las industrias alimentaria y química, donde el acero inoxidable se utiliza a menudo como material estructural. El conocimiento de la capacidad precisa de almacenamiento de calor es especialmente importante en aplicaciones que implican cargas de temperatura cíclicas o transitorias. Esto permite realizar una Thermal Simulations más realista y mejora la seguridad de funcionamiento y la eficiencia de los componentes.
DSC-cp, Determinación
La Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.capacidad calorífica específica (Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.cp) suele determinarse mediante DSC a través de un método de medición comparativo con un material de referencia (por ejemplo, de acuerdo con la norma DIN EN ISO 11357).
En primer lugar, se realiza una calibración adecuada del DSC (normalmente calibración de temperatura). Cada determinación de la Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.capacidad calorífica específica de un material incluye tres mediciones: la línea de base, una muestra de referencia de zafiro y la propia muestra y, a continuación, puede calcularse de acuerdo con la siguiente ecuación:
Todas las mediciones se realizan a una velocidad de calentamiento definida en una atmósfera de gas inerte para garantizar unas condiciones constantes. La Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.capacidad calorífica específica (Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.cp) se determina dentro de un intervalo de temperaturas definido. Las líneas de base estables y la alta reproducibilidad de las condiciones de medición son esenciales.
Durante la medición, el DSC registra el flujo de calor en función de la temperatura. Al calcular la Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.capacidad calorífica específica, se tiene en cuenta la cantidad de energía calorífica absorbida por la muestra en comparación con el material estándar. Las Transiciones de faseEl término transición de fase (o cambio de fase) se utiliza más comúnmente para describir las transiciones entre los estados sólido, líquido y gaseoso.transiciones de fase o las reacciones dentro de la muestra pueden afectar a la evaluación. Por tanto, deben tenerse en cuenta las Transiciones de faseEl término transición de fase (o cambio de fase) se utiliza más comúnmente para describir las transiciones entre los estados sólido, líquido y gaseoso.transiciones de fase de segundo orden, como las transiciones vítreas, mientras que deben excluirse las Transiciones de faseEl término transición de fase (o cambio de fase) se utiliza más comúnmente para describir las transiciones entre los estados sólido, líquido y gaseoso.transiciones de fase de primer orden, como los procesos de fusión.
El resultado proporciona la capacidad calorífica específica aparente* de la muestra en función de la temperatura, que puede utilizarse para la caracterización del material o para cálculos termofísicos posteriores. Las condiciones exactas de medición se muestran en la tabla 1.
*La capacidad calorífica específica aparente es un término de la termodinámica que se utiliza para describir el comportamiento térmico de los materiales que experimentan Transiciones de faseEl término transición de fase (o cambio de fase) se utiliza más comúnmente para describir las transiciones entre los estados sólido, líquido y gaseoso.transiciones de fase (por ejemplo, fusión, evaporación) durante el calentamiento o el enfriamiento.
Tabla 1: Parámetros de medición DSC
| Cabezal de medición | DSC-Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.cp del DSC 500 Pegasus® |
|---|---|
| Horno | Rodio |
| Crisol | Crisol de Pt/Rh con tapa (con Al2O3-Liner) |
| Termopar de muestra | Tipo S |
| Gas de purga | Ar (70 ml/min) |
| Programa de temperatura |
|
| Masa de la muestra | 140.952 mg |
| Patrón de calibración | Zafiro (83,265 mg) |
Resultados y debate
La figura 1 muestra la curva de medición, que ilustra la capacidad calorífica específica aparente (Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.cp) en función de la temperatura del acero inoxidable 1.4301 en el intervalo comprendido entre la temperatura ambiente y aproximadamente 1550°C. Al principio y durante el calentamiento (hasta aproximadamente 1200°C), el material muestra, como era de esperar, un comportamiento en gran medida estable con un ligero aumento de los valores de cp. Los valores medidos aquí oscilan aproximadamente entre 0,49 y 0,66 J/(g-K). A partir de aproximadamente 1400°C se observa un claro aumento de la curva cp. La transformación comienza aproximadamente a 1418°C, mientras que a 1477,5°C se observa un pronunciado efecto EndotérmicoUna transición de muestra o una reacción es endotérmica si se necesita calor para la conversión.endotérmico. Este pico agudo es típico de una Transiciones de faseEl término transición de fase (o cambio de fase) se utiliza más comúnmente para describir las transiciones entre los estados sólido, líquido y gaseoso.transición de fase de primer orden e indica el proceso de fusión del material. En la región de la reacción de fusión, se requiere energía adicional para la transformación del estado sólido al líquido (calor latente), lo que se refleja en el marcado aumento del valor cp aparente y en la amplia estructura del pico. En el intervalo de una transición de fusión, el cp no está definido unívocamente debido al calor latente asociado a la Transiciones de faseEl término transición de fase (o cambio de fase) se utiliza más comúnmente para describir las transiciones entre los estados sólido, líquido y gaseoso.transición de fase.
La integración del pico arroja una entalpía de transformación de aproximadamente 232 J/g, que representa la firma energética del proceso de fusión. El punto final de la transformación se sitúa en torno a los 1.482 ºC, momento en el que el material se encuentra totalmente en estado líquido.
Resumen
La determinación de la capacidad calorífica específica proporciona información termofísica exhaustiva que resulta crucial para caracterizar materiales y desarrollar procesos. Una ventaja clave es que captura el comportamiento térmico completo en un rango de temperaturas extremadamente amplio, incluyendo el estado sólido, las Transiciones de faseEl término transición de fase (o cambio de fase) se utiliza más comúnmente para describir las transiciones entre los estados sólido, líquido y gaseoso.transiciones de fase y la fusión. Esto permite crear conjuntos de datos coherentes para parámetros como cp, entalpía y entalpía de fusión, sin lagunas de datos. Además, la medición hasta el Temperaturas y entalpías de fusiónLa entalpía de fusión de una sustancia, también conocida como calor latente, es una medida del aporte de energía, normalmente calor, que es necesario para convertir una sustancia del estado sólido al líquido. El punto de fusión de una sustancia es la temperatura a la que cambia de estado sólido (cristalino) a líquido (fusión isotrópica).punto de fusión permite identificar y cuantificar sin ambigüedades las Transiciones de faseEl término transición de fase (o cambio de fase) se utiliza más comúnmente para describir las transiciones entre los estados sólido, líquido y gaseoso.transiciones de fase, en particular la Temperaturas y entalpías de fusiónLa entalpía de fusión de una sustancia, también conocida como calor latente, es una medida del aporte de energía, normalmente calor, que es necesario para convertir una sustancia del estado sólido al líquido. El punto de fusión de una sustancia es la temperatura a la que cambia de estado sólido (cristalino) a líquido (fusión isotrópica).temperatura de fusión y el calor latente asociado. Esto es especialmente relevante para aleaciones como el acero inoxidable 1.4301. Estos datos pueden incorporarse directamente a Thermal Simulations (por ejemplo, procesos de fundición o de alta temperatura), lo que permite modelizar de forma realista los procesos de calentamiento, fusión y solidificación.
El DSC 500 Pegasus® permite realizar mediciones precisas de cp en un amplio rango de temperaturas. Gracias a la alta sensibilidad del sistema y a la estabilidad de las condiciones de medición, es posible determinar con fiabilidad las propiedades termofísicas de los materiales, incluso en aplicaciones exigentes a altas temperaturas.