Sfaturi și trucuri

Determinarea precisă a căldurii specifice cu ajutorul DSC

Materialele cu o capacitate calorică specifică ridicată își modifică temperatura foarte puțin atunci când se introduce o anumită cantitate de energie.

Vom arăta cum poate fi determinată cu precizie și succes căldura specifică prin intermediul Calorimetriei diferențiale cu baleiaj. Metoda este descrisă în diferite standarde, inclusiv ASTM E 1269, DIN 51 007 sau ISO 11357-4 (în special pentru materiale plastice).

Configurație pentru măsurarea capacității calorice specifice utilizând Calorimetria diferențială cu baleiaj (DSC) cu creuzete goale și creuzete pentru probe. — Fig. 1. Configurarea unei serii de măsurători pentru determinarea capacității termice specifice

Numărul de măsurători

Fiecare determinare a capacității termice specifice cu ajutorul DSC - și, de asemenea, DSC modulat în funcție de temperatură (TM-) - cuprinde trei măsurători: măsurarea liniei de bază, a standardului și a probei. Creuzetul de pe partea de referință rămâne întotdeauna gol. De obicei, safirul (_α-Al2O3 monocristal) este sugerat ca standard, dar pot fi utilizate și alte materiale cu valori 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 cunoscute. Pentru aplicații speciale, cum ar fi în sectorul aviației, standardele includ, de asemenea, date pentru alte materiale (de exemplu, n-heptan în ASTM D 4816 sau difenil eter în ASTM D 3947).

Toate cele trei măsurători trebuie efectuate în condiții identice. Cele mai importante puncte aici sunt:

Pentru a obține semnale cât mai ridicate posibil, se recomandă utilizarea de materiale pentru creuzet și capac cu o conductivitate termică ridicată (cum ar fi aluminiu, platină sau grafit), precum și o rată de încălzire relativ ridicată, de 10 sau 20 K/min. Creuzetele din oxid de aluminiu nu sunt ideale pentru determinările _{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}, deoarece _Al2O3 devine transparent pentru radiațiile termice la temperaturi ridicate.

Este important să existe un bun cuplaj termic între probă, fundul creuzetului și senzor. Acest lucru necesită un fund de creuzet plan și o zonă de contact cât mai large între probă și creuzet. Sunt ideale probele în formă de disc cu un diametru de 5-6 mm și o înălțime de aproximativ 1 mm. În cazul în care există riscul unei reacții de contact între probă și creuzetul metalic, se pot utiliza ca alternativă, de exemplu, creuzete din platină cu căptușeli din _Al2O3. Aceste căptușeli au pereți considerabil mai subțiri decât creuzetele convenționale din _Al2O3 și au doar un efect minor asupra sensibilității sistemului. Pentru temperaturi finale apropiate de 1400°C sau mai mult, este recomandabil să se utilizeze un disc de _Al2O3 ca suport pentru creuzetele Pt/Rh pentru a preveni lipirea creuzetelor de zonele de suport ale suporturilor de probe. Mai multe informații generale privind acest fenomen pot fi găsite aici.

Pentru probele pulverulente, se recomandă presarea pulberii cu o ștampilă.

În ceea ce privește masa probei, este avantajos atunci când "masele termice" ale safirului și ale probei sunt aproximativ echivalente, și anume

Selecție de suporturi pentru probe din silice topită și alumină, care prezintă diverse modele pentru testare și analiză optimă.

În conformitate cu ASTM E 1269, masa eșantionului nu trebuie să se fi modificat cu mai mult de 0,3% la cântărirea din nou a eșantionului după încheierea experimentului. În caz contrar, măsurarea trebuie respinsă. Această afirmație se bazează pe faptul că numai masa inițială a eșantionului este luată în considerare în formula de calcul. În cazul în care apar modificări mai mari ale masei, pentru a fi strict corectă, capacitatea termică specifică ar trebui recalculată în următoarea parte a curbei cu o masă inițială modificată.

Trebuie să se asigure o poziție reproductibilă a creuzetului între ciclurile de referință, safir și eșantion. Pozițiile semnificativ diferite ale creuzetului pe senzor pot avea o influență negativă asupra incertitudinii rezultatelor.

Pentru determinările _{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 impun cerințe ridicate privind profilul de temperatură al cuptorului pentru a garanta condiții de temperatură cât mai omogene posibil în interior. Alături de cuptorul compact și rapid al DSC 204 F1 Phoenix^® ®, cele mai potrivite pentru DSC 404/STA 449 sunt cuptorul Pt/Rh până la 1500°C, cuptorul Rh până la 1650°C, cuptorul de joasă temperatură până la 675°C (element de încălzire din argint).

a) Dinamic

Două programe de temperatură diferite sunt disponibile pentru determinarea clasică a _{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} (figura 2). Ceea ce au în comun cele două programe de temperatură - înainte de încălzirea de interes - este o fază izotermă de 10-15 minute pentru stabilizarea temperaturii de pornire.

Suport de probă standard din oțel inoxidabil pentru 1 probă rotundă, Ø 25,4 mm, conceput pentru o analiză sigură și precisă a probei. — Fig. 2. Programe clasice de temperatură pentru determinarea capacității termice specifice

b) izotermă

Comitetul tehnic internațional ASTM lucrează în prezent la un nou standard (ASTM E 37; cel^{de-al treilea} proiect a fost publicat în august 2008) pentru determinarea capacității termice specifice cu ajutorul DSC modulat în funcție de temperatură. Intervalul de temperatură este limitat aici la -100°C până la 600°C. Evaluarea se efectuează în segmentele izoterme (exemplu de program de temperatură în figura 3).

Ilustrația programului pas cu pas pentru determinarea izotermă a capacității termice specifice utilizând TM-DSC, evidențiind modificările de temperatură în timp. — Fig. 3. Exemplu de program pas cu pas pentru determinarea izotermă a capacității calorice specifice cu ajutorul TM-DSC

Atât în modul dinamic, cât și în modul izoterm, de obicei este mai bine să opriți STC (controlerul temperaturii probei) în timpul măsurării.

O nouă calibrare a sensibilității este stabilită prin măsurarea liniei de bază și a safirului în cadrul unui triplet _{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}. Prin urmare, integrarea unei curbe de sensibilitate în măsurători nu este necesară; este suficientă activarea calibrării relevante a temperaturii. Până la o temperatură de aproximativ 1200°C, precizia datelor _cp determinate este în general de aproximativ +/- 2,5%. Pentru temperaturi și mai ridicate, precizia este redusă. Pentru a verifica valorile măsurate, s-a dovedit favorabilă măsurarea a două safire de mase diferite, adică utilizarea unui safir ca etalon și a celui de-al doilea ca eșantion. Rezultatele ar trebui să corespundă valorilor _cp teoretice pentru safir.