Inleiding
Het bepalen van de Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit (Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.cp) van roestvast staal 1.4301 is cruciaal voor het begrijpen van het thermische gedrag onder echte bedrijfsomstandigheden. Deze fundamentele materiaalgegevens zijn essentieel voor het ontwerpen en optimaliseren van thermische processen in de industrie. Typische toepassingsgebieden zijn fabrieks- en procestechniek en de voedingsmiddelen- en chemische industrie, waar roestvast staal vaak als constructiemateriaal wordt gebruikt. Kennis van de precieze warmteopslagcapaciteit is vooral belangrijk bij toepassingen met cyclische of voorbijgaande temperatuurbelastingen. Dit maakt het mogelijk om meer realistische Thermal Simulations uit te voeren en verbetert de operationele veiligheid en efficiëntie van componenten.
DSC-cp, Bepaling
De Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit (Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.cp) wordt meestal bepaald met DSC via een vergelijkende meetmethode met een referentiemateriaal (bijvoorbeeld in overeenstemming met DIN EN ISO 11357).
Eerst wordt een geschikte kalibratie uitgevoerd op de DSC (meestal temperatuurkalibratie). Elke specifieke warmtecapaciteitbepaling van een materiaal omvat drie metingen; de basislijn, een saffierreferentiemonster en het monster zelf en kan dan worden berekend volgens de volgende vergelijking:
Alle metingen worden uitgevoerd bij een gedefinieerde verwarmingssnelheid in een inerte gasatmosfeer om consistente omstandigheden te garanderen. De Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit (Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.cp) wordt bepaald binnen een gedefinieerd temperatuurbereik. Stabiele basislijnen en een hoge reproduceerbaarheid van de meetomstandigheden zijn essentieel.
Tijdens de meting registreert de DSC de warmtestroom als functie van de temperatuur. Bij het berekenen van de Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit wordt rekening gehouden met de hoeveelheid warmte-energie die door het monster wordt geabsorbeerd in vergelijking met het standaardmateriaal. FaseovergangenDe term faseovergang (of faseverandering) wordt meestal gebruikt om overgangen tussen de vaste, vloeibare en gasvormige toestand te beschrijven.Faseovergangen of reacties binnen het monster kunnen de evaluatie beïnvloeden. Daarom moet er rekening worden gehouden met FaseovergangenDe term faseovergang (of faseverandering) wordt meestal gebruikt om overgangen tussen de vaste, vloeibare en gasvormige toestand te beschrijven.faseovergangen van de tweede orde, zoals glasovergangen, terwijl FaseovergangenDe term faseovergang (of faseverandering) wordt meestal gebruikt om overgangen tussen de vaste, vloeibare en gasvormige toestand te beschrijven.faseovergangen van de eerste orde, zoals smeltprocessen, moeten worden uitgesloten.
Het resultaat geeft de temperatuurafhankelijke schijnbare* soortelijke warmtecapaciteit van het monster, die gebruikt kan worden voor materiaalkarakterisering of verdere thermofysische berekeningen. De exacte meetomstandigheden staan in tabel 1.
*De schijnbare Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit is een term uit de thermodynamica die wordt gebruikt om het thermische gedrag te beschrijven van materialen die FaseovergangenDe term faseovergang (of faseverandering) wordt meestal gebruikt om overgangen tussen de vaste, vloeibare en gasvormige toestand te beschrijven.faseovergangen ondergaan (bijv. Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt). smelten, VerdampingDe verdamping van een element of verbinding is een faseovergang van de vloeibare fase naar damp. Er bestaan twee soorten verdamping: verdamping en koken.verdamping) tijdens verhitting of afkoeling.
Tabel 1: DSC-meetparameters
| Meetkop | DSC-Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.cp van de DSC 500 Pegasus® |
|---|---|
| Oven | Rhodium |
| Kroes | Pt/Rh kroes met deksel (met Al2O3-voering) |
| Monster thermokoppel | Type S |
| Spoelgas | Ar (70 ml/min) |
| Temperatuurprogramma |
|
| Monstermassa | 140.952 mg |
| IJkstandaard | Saffier (83,265 mg) |
Resultaten en discussie
Figuur 1 toont de meetcurve, die de temperatuurafhankelijke schijnbare specifieke warmtecapaciteit (Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.cp) van roestvrij staal 1.4301 in het bereik van kamertemperatuur tot ongeveer 1550 °C illustreert. Aan het begin en tijdens het verwarmen (tot ongeveer 1200 °C) vertoont het materiaal, zoals verwacht, grotendeels stabiel gedrag met een lichte stijging van de cp-waarden. De gemeten waarden variëren hier van ongeveer 0,49 tot 0,66 J/(g-K). Een duidelijke stijging in de cp-curve kan worden waargenomen vanaf ongeveer 1400 °C. De transformatie begint bij ongeveer 1418°C, terwijl een uitgesproken EndothermEen monsterovergang of reactie is endotherm als er warmte nodig is voor de omzetting.endotherm effect wordt waargenomen bij 1477,5°C. Deze scherpe piek is typisch voor een eerste-orde FaseovergangenDe term faseovergang (of faseverandering) wordt meestal gebruikt om overgangen tussen de vaste, vloeibare en gasvormige toestand te beschrijven.faseovergang en duidt op het smeltproces van het materiaal. In het gebied van de smeltreactie is extra energie nodig voor de transformatie van vaste naar vloeibare toestand (latente warmte), wat wordt weerspiegeld in de sterk verhoogde schijnbare cp-waarde en de brede piekstructuur. In het bereik van een smeltovergang is cp niet uniek gedefinieerd vanwege de latente warmte die gepaard gaat met de FaseovergangenDe term faseovergang (of faseverandering) wordt meestal gebruikt om overgangen tussen de vaste, vloeibare en gasvormige toestand te beschrijven.faseovergang.
Integratie van de piek levert een transformatie-enthalpie op van ongeveer 232 J/g, wat de energetische handtekening van het smeltproces weergeeft. Het transformatie-eindpunt ligt bij ongeveer 1482 °C, op welk punt het materiaal zich volledig in vloeibare toestand bevindt.
Samenvatting
Het bepalen van de specifieke warmtecapaciteit levert uitgebreide thermofysische informatie die cruciaal is voor het karakteriseren van materialen en het ontwikkelen van processen. Een belangrijk voordeel is dat het het volledige thermische gedrag vastlegt over een extreem breed temperatuurbereik, inclusief de vaste toestand, FaseovergangenDe term faseovergang (of faseverandering) wordt meestal gebruikt om overgangen tussen de vaste, vloeibare en gasvormige toestand te beschrijven.faseovergangen en Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt). smelten. Hierdoor kunnen consistente datasets gemaakt worden voor parameters zoals cp, enthalpie en smeltenthalpie, zonder hiaten in de data. Bovendien maakt het meten tot aan het Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt).smeltpunt de ondubbelzinnige identificatie en kwantificering van FaseovergangenDe term faseovergang (of faseverandering) wordt meestal gebruikt om overgangen tussen de vaste, vloeibare en gasvormige toestand te beschrijven.faseovergangen mogelijk, met name de Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt). smelttemperatuur en de bijbehorende latente warmte. Dit is vooral relevant voor legeringen zoals roestvast staal 1.4301. Deze gegevens kunnen direct worden opgenomen in Thermal Simulations (bijv. gieten of hoge-temperatuurprocessen), waardoor verhittings-, smelt- en stolprocessen realistisch kunnen worden gemodelleerd.
De DSC 500 Pegasus® maakt nauwkeurige cp-metingen over een breed temperatuurbereik mogelijk. Dankzij de hoge gevoeligheid en stabiele meetomstandigheden van het systeem kunnen thermofysische materiaaleigenschappen betrouwbaar worden bepaald, zelfs in veeleisende toepassingen bij hoge temperaturen.