Inledning
Att bestämma den specifika värmekapaciteten (Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.cp) för rostfritt stål 1.4301 är avgörande för att förstå dess termiska beteende under verkliga driftsförhållanden. Dessa grundläggande materialdata är nödvändiga för att utforma och optimera termiska processer inom industrin. Typiska användningsområden är anläggnings- och processteknik samt livsmedels- och kemiindustrin, där rostfritt stål ofta används som konstruktionsmaterial. Kunskap om den exakta värmelagringskapaciteten är särskilt viktig i tillämpningar med cykliska eller transienta temperaturbelastningar. Detta gör det möjligt att utföra mer realistiska Thermal Simulations och förbättrar komponenternas driftsäkerhet och effektivitet.
DSC-cp, bestämning
Den specifika värmekapaciteten (Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.cp) bestäms vanligtvis med DSC genom en jämförande mätmetod med ett referensmaterial (t.ex. i enlighet med DIN EN ISO 11357).
Först utförs en lämplig kalibrering av DSC (vanligtvis temperaturkalibrering). Varje bestämning av Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.specifik värmekapacitet för ett material omfattar tre mätningar; baslinjen, ett safirreferensprov och själva provet och kan sedan beräknas enligt följande ekvation:
Alla mätningar utförs med en definierad uppvärmningshastighet i en atmosfär av inert gas för att säkerställa konsekventa förhållanden. Den specifika värmekapaciteten (Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.cp) bestäms inom ett definierat temperaturintervall. Stabila baslinjer och hög reproducerbarhet av mätförhållandena är avgörande.
Under mätningen registrerar DSC värmeflödet som en funktion av temperaturen. Vid beräkningen av den specifika värmekapaciteten tas hänsyn till hur mycket värmeenergi som absorberas av provet jämfört med standardmaterialet. FasövergångarBegreppet fasövergång (eller fasförändring) används oftast för att beskriva övergångar mellan fast, flytande och gasformigt tillstånd.Fasövergångar eller reaktioner i provet kan påverka utvärderingen. Andra ordningens FasövergångarBegreppet fasövergång (eller fasförändring) används oftast för att beskriva övergångar mellan fast, flytande och gasformigt tillstånd.fasövergångar, som t.ex. glasövergångar, måste därför beaktas, medan första ordningens FasövergångarBegreppet fasövergång (eller fasförändring) används oftast för att beskriva övergångar mellan fast, flytande och gasformigt tillstånd.fasövergångar, som t.ex. smältprocesser, måste uteslutas.
Resultatet ger provets temperaturberoende skenbara* specifika värmekapacitet, som kan användas för materialkarakterisering eller ytterligare termofysikaliska beräkningar. De exakta mätförhållandena visas i tabell 1.
*Den skenbara specifika värmekapaciteten är en term inom termodynamiken som används för att beskriva det termiska beteendet hos material som genomgår FasövergångarBegreppet fasövergång (eller fasförändring) används oftast för att beskriva övergångar mellan fast, flytande och gasformigt tillstånd.fasövergångar (t.ex. Smälttemperaturer och entalpierEtt ämnes smältningsenthalpi, även kallad latent värme, är ett mått på den energitillförsel, vanligtvis värme, som krävs för att omvandla ett ämne från fast till flytande tillstånd. Ett ämnes smältpunkt är den temperatur vid vilken det ändrar tillstånd från fast (kristallin) till flytande (isotropisk smälta).smältning, avdunstning) under uppvärmning eller kylning.
Tabell 1: Parametrar för DSC-mätning
| Mätning av huvud | DSC-Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.cp från DSC 500 Pegasus® |
|---|---|
| Ugn | Rhodium |
| Degel | Pt/Rh-degel med lock (med Al2O3-foder) |
| Termoelement för prov | Typ S |
| Spolningsgas | Ar (70 ml/min) |
| Temperaturprogram |
|
| Provets massa | 140.952 mg |
| Kalibreringsstandard | Safir (83,265 mg) |
Resultat och diskussion
Figur 1 visar mätkurvan som illustrerar den temperaturberoende skenbara specifika värmekapaciteten (Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.cp) hos rostfritt stål 1.4301 i området från rumstemperatur till ca 1550°C. I början och under uppvärmningen (upp till ca 1200°C) uppvisar materialet, som förväntat, ett i stort sett stabilt beteende med en liten ökning av Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.cp-värdena. De uppmätta värdena varierar här från cirka 0,49 till 0,66 J/(g-K). En tydlig uppgång i Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.cp-kurvan kan observeras från ca 1400°C. Omvandlingen startar vid ca 1418°C, medan en uttalad endotermisk effekt observeras vid 1477,5°C. Denna skarpa topp är typisk för en FasövergångarBegreppet fasövergång (eller fasförändring) används oftast för att beskriva övergångar mellan fast, flytande och gasformigt tillstånd.fasövergång av första ordningen och indikerar materialets smältprocess. I området för smältreaktionen krävs ytterligare energi för omvandlingen från det fasta till det flytande tillståndet (latent värme), vilket återspeglas i det kraftigt ökade skenbara Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.cp-värdet och den breda toppstrukturen. I området för en smältövergång är Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.cp inte entydigt definierat på grund av den latenta värme som är förknippad med fasövergången.
Integrering av toppen ger en omvandlingsentalpi på cirka 232 J/g, vilket representerar den energetiska signaturen för smältprocessen. Omvandlingens slutpunkt ligger vid cirka 1482°C, vid vilken tidpunkt materialet är helt i flytande tillstånd.
Sammanfattning
Bestämning av den specifika värmekapaciteten ger omfattande termofysikalisk information som är avgörande för att karakterisera material och utveckla processer. En viktig fördel är att den fångar hela det termiska beteendet över ett extremt brett temperaturintervall, inklusive det fasta tillståndet, FasövergångarBegreppet fasövergång (eller fasförändring) används oftast för att beskriva övergångar mellan fast, flytande och gasformigt tillstånd.fasövergångar och Smälttemperaturer och entalpierEtt ämnes smältningsenthalpi, även kallad latent värme, är ett mått på den energitillförsel, vanligtvis värme, som krävs för att omvandla ett ämne från fast till flytande tillstånd. Ett ämnes smältpunkt är den temperatur vid vilken det ändrar tillstånd från fast (kristallin) till flytande (isotropisk smälta).smältning. Detta gör det möjligt att skapa konsekventa dataset för parametrar som Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.cp, entalpi och smältningsentalpi, utan några dataluckor. Mätning ända ned till smältpunkten möjliggör dessutom entydig identifiering och kvantifiering av FasövergångarBegreppet fasövergång (eller fasförändring) används oftast för att beskriva övergångar mellan fast, flytande och gasformigt tillstånd.fasövergångar, i synnerhet smälttemperaturen och den tillhörande latenta värmen. Detta är särskilt relevant för legeringar som t.ex. rostfritt stål 1.4301. Dessa data kan integreras direkt i Thermal Simulations (t.ex. gjutning eller högtemperaturprocesser), vilket möjliggör realistisk modellering av uppvärmnings-, smält- och stelningsprocesser.
DSC 500 Pegasus® möjliggör exakta cp-mätningar över ett brett temperaturintervall. Tack vare systemets höga känslighet och stabila mätförhållanden kan termofysiska materialegenskaper fastställas på ett tillförlitligt sätt, även i krävande högtemperaturapplikationer.