Introducere
Determinarea capacității termice specifice (Capacitate termică specifică (cp)Capacitatea termică este o mărime fizică specifică materialului, determinată de cantitatea de căldură furnizată specimenului, împărțită la creșterea de temperatură rezultată. Capacitatea termică specifică este raportată la o unitate de masă a specimenului.cp) a oțelului inoxidabil 1.4301 este esențială pentru înțelegerea comportamentului său termic în condiții reale de funcționare. Aceste date fundamentale privind materialul sunt esențiale pentru proiectarea și optimizarea proceselor termice în industrie. Domeniile tipice de aplicare includ ingineria instalațiilor și a proceselor, precum și industria alimentară și chimică, unde oțelul inoxidabil este adesea utilizat ca material structural. Cunoașterea exactă a capacității de stocare a căldurii este deosebit de importantă în aplicațiile care implică sarcini de temperatură ciclice sau tranzitorii. Acest lucru permite realizarea unui site Thermal Simulations mai realist și îmbunătățește siguranța în funcționare și eficiența componentelor.
DSC-cp, Determinare
Capacitatea termică specifică (Capacitate termică specifică (cp)Capacitatea termică este o mărime fizică specifică materialului, determinată de cantitatea de căldură furnizată specimenului, împărțită la creșterea de temperatură rezultată. Capacitatea termică specifică este raportată la o unitate de masă a specimenului.cp) se determină de obicei cu ajutorul DSC printr-o metodă de măsurare comparativă cu un material de referință (de exemplu, în conformitate cu DIN EN ISO 11357).
În primul rând, se efectuează o calibrare adecvată a DSC (de obicei, calibrarea temperaturii). Fiecare determinare a capacității termice specifice a unui material include trei măsurători; linia de bază, o probă de referință de safir și proba în sine și poate fi apoi calculată în conformitate cu următoarea ecuație:
Toate măsurătorile sunt efectuate la o rată de încălzire definită într-o atmosferă de gaz inert pentru a asigura condiții constante. Capacitatea termică specifică (Capacitate termică specifică (cp)Capacitatea termică este o mărime fizică specifică materialului, determinată de cantitatea de căldură furnizată specimenului, împărțită la creșterea de temperatură rezultată. Capacitatea termică specifică este raportată la o unitate de masă a specimenului.cp) este determinată într-un interval de temperatură definit. Sunt esențiale liniile de bază stabile și reproductibilitatea ridicată a condițiilor de măsurare.
În timpul măsurării, DSC înregistrează fluxul de căldură în funcție de temperatură. La calcularea capacității termice specifice, se ia în considerare cantitatea de energie termică absorbită de probă în comparație cu materialul standard. Tranzițiile de fază sau reacțiile din cadrul probei pot afecta evaluarea. Prin urmare, trebuie luate în considerare tranzițiile de fază de ordinul doi, cum ar fi tranzițiile vitroase, în timp ce tranzițiile de fază de ordinul întâi, cum ar fi procesele de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire, trebuie excluse.
Rezultatul furnizează capacitatea calorică specifică aparentă* dependentă de temperatură a probei, care poate fi utilizată pentru caracterizarea materialului sau pentru calcule termofizice suplimentare. Condițiile exacte de măsurare sunt prezentate în tabelul 1.
*Capacitatea calorică specifică aparentă este un termen în termodinamică, utilizat pentru a descrie comportamentul termic al materialelor care suferă tranziții de fază (de exemplu, Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire, evaporare) în timpul încălzirii sau răcirii.
Tabelul 1: Parametrii de măsurare DSC
| Cap de măsurare | DSC-Capacitate termică specifică (cp)Capacitatea termică este o mărime fizică specifică materialului, determinată de cantitatea de căldură furnizată specimenului, împărțită la creșterea de temperatură rezultată. Capacitatea termică specifică este raportată la o unitate de masă a specimenului.cp al DSC 500 Pegasus® |
|---|---|
| Cuptor | Rhodiu |
| Creuzet | Creuzet Pt/Rh cu capac (cu Al2O3-Liner) |
| Eșantion termocuplu | Tip S |
| Gaz de purjare | Ar (70 ml/min) |
| Program de temperatură |
|
| Masa probei | 140.952 mg |
| Standard de calibrare | Safir (83,265 mg) |
Rezultate și discuții
Figura 1 prezintă curba de măsurare, ilustrând capacitatea termică specifică aparentă (Capacitate termică specifică (cp)Capacitatea termică este o mărime fizică specifică materialului, determinată de cantitatea de căldură furnizată specimenului, împărțită la creșterea de temperatură rezultată. Capacitatea termică specifică este raportată la o unitate de masă a specimenului.cp) în funcție de temperatură a oțelului inoxidabil 1.4301 în intervalul de la temperatura camerei la aproximativ 1550°C. La început și în timpul încălzirii (până la aproximativ 1200°C), materialul prezintă, așa cum era de așteptat, un comportament în mare parte stabil, cu o ușoară creștere a valorilor cp. Valorile măsurate aici variază de la aproximativ 0,49 la 0,66 J/(g-K). O creștere distinctă a curbei cp poate fi observată începând de la aproximativ 1400°C. Transformarea începe la aproximativ 1418°C, în timp ce un efect EndotermiceO tranziție de probă sau o reacție este endotermă dacă este nevoie de căldură pentru conversie.endotermic pronunțat este observat la 1477,5°C. Acest vârf ascuțit este tipic pentru o tranziție de fază de ordinul întâi și indică procesul de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire a materialului. În regiunea reacției de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire, este necesară energie suplimentară pentru transformarea de la starea solidă la cea lichidă (căldură latentă), ceea ce se reflectă în creșterea bruscă a valorii cp aparente și în structura largă a vârfului. În intervalul unei tranziții de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire, cp nu este definit în mod unic din cauza căldurii latente asociate cu tranziția de fază.
Integrarea vârfului generează o entalpie de transformare de aproximativ 232 J/g, reprezentând semnătura energetică a procesului de topire. Punctul final al transformării se află la aproximativ 1482°C, moment în care materialul este complet în stare lichidă.
Rezumat
Determinarea capacității termice specifice oferă informații termofizice complete, esențiale pentru caracterizarea materialelor și dezvoltarea proceselor. Un avantaj cheie este acela că surprinde întregul comportament termic într-un interval de temperatură extrem de larg, inclusiv starea solidă, tranzițiile de fază și topirea. Acest lucru permite crearea unor seturi de date coerente pentru parametri precum cp, entalpie și entalpie de topire, fără lacune în date. În plus, măsurarea până la punctul de topire permite identificarea și cuantificarea fără ambiguitate a tranzițiilor de fază, în special a temperaturii de topire și a căldurii latente asociate. Acest lucru este relevant în special pentru aliaje precum oțelul inoxidabil 1.4301. Aceste date pot fi încorporate direct în Thermal Simulations (de exemplu, procese de turnare sau la temperaturi ridicate), permițând modelarea realistă a proceselor de încălzire, topire și solidificare.
DSC 500 Pegasus® permite măsurători precise ale cp într-o gamă largă de temperaturi. Datorită sensibilității ridicate a sistemului și a condițiilor stabile de măsurare, proprietățile termofizice ale materialelor pot fi determinate în mod fiabil, chiar și în aplicații solicitante la temperaturi ridicate.