методы определения теплоемкости

Методы определения
теплоемкости
Марат Ахметов

Определение теплоемкости
Теплоёмкость тела - физическая
величина, определяющая отношение
бесконечно малого количества теплоты
δQ, полученного телом, к
соответствующему приращению его
температуры δT:
𝐶 =
𝛿𝑄
𝛿𝑇
Единица измерения теплоёмкости в
системе СИ — Дж/К.
8 800 200 4225 www.intertech-corp.ru

Определение теплоемкости
Теплоёмкость единицы массы
вещества называется удельной.
Единица измерения - Дж/(К·кг) :
Для твердых тел определяют Cp –
теплоемкость при постоянном давлении
(p – const).

Метод определения
Определение теплоемкости с помощью
дифференциального сканирующего
калориметра (ДСК) заключается в
сравнении тепловых потоков
анализируемого и калибровочного
образцов
Для определения используются ДСК
или совмещенные анализаторы ДСК/ТГ.
ДСК более предпочтительны.

Классический метод ДСК заключается в
последовательном измерении трех
кривых:
базовая линия с пустыми тиглями
эксперимент со стандартным образцом
эксперимент с образцом

Выполнение всех экспериментов
проводится по одной программе:
1: Equilibrate at T1 °C – установление начальной
температуры
2: Isothermal for 10.00 min – начальная изотерма
3: Mark end of cycle 0 – метка конца цикла
4: Ramp 20.00°C/min to T2 °C – нагрев до конечной
температуры
5: Mark end of cycle 0 – метка конца цикла
6: Isothermal for 10.00 min – заключительная изотерма

-40
-30
-20
-10
0
10
Тепловойпоток(mW)
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Время (min)
Образец–––––––
Стандарт–––––––
Нулевая–––––––
Экзо вверх Universal V4.7A TA Instruments
Пример ДСК-кривых

Для расчета теплоемкости образца
(𝐶 𝑝,обр) используют следующее уравнение
𝐶 𝑝,обр =
𝑄обр − 𝑄нул
𝑄стд − 𝑄нул
∙
𝑚стд
𝑚обр
∙ 𝐶 𝑝,стд
где 𝑄обр, 𝑄стд, 𝑄нул - тепловые потоки образца,
стандарта и пустого тигля, соответственно
𝑚обр , 𝑚стд - масса образца и стандарта,
соответственно
𝐶 𝑝,стд - теплоемкость стандарта

Рекомендации
Для получения достоверных и воспроизводимых данных
рекомендуется:
 Перед выполнением измерений провести калибровку
прибора
 Калибровку прибора выполнять в условиях
эксперимента: температурный диапазон, скорость
нагрева, тип газа, те же самые тигли (для SDT Q600) или
их тип (для ДСК)
 Пытаться полностью воспроизвести положение тиглей
 Проводить эксперименты с минимальным промежутком
времени
 Использовать стандарт со свойствами близкими к
образцу

Подготовка исходных данных
Необходимо открыть все три файла

Выбрать Тепловой поток для оси Y1
и Время для оси X

Необходимо отменить нормирование
теплового потока используя пункт
Единицы меню График
Для этого надо выбрать единицы
измерения mW

Необходимо скомпенсировать дрейф
базовой линии для каждой кривой.
Для этого используют пункт
Поворот… меню Сервис

Используя инструмент Поворот…
устанавливаем точки в серединах
изотермических участков таким
образом, чтобы горизонтальная линия
проходила через ноль.
Для выполнения операции нажмите
клавишу Ввод (Enter)

По завершении операции можно
проверить положение изотермических
участков

Расчет теплоемкости
Совмещаем все три кривые с
помощью пункта
Совместить/Автонастройка
меню График

Отмечаем значения теплового потока
для одной и той же температуры

Для расчета используем массы образца
(30,6100 мг) и стандарта (62,5890 мг)
Теплоемкость сапфира при 50°С 825,8
Дж/кг·К (ГОСТ 23630.1-79)
𝐶 𝑝,обр =
−7,771 − (−0,266)
−11,190 − (−0,266)
∙
62,589
30,610
∙ 825,8
= 1160,05 Дж/кг ∙ К

Экспорт в Excel
Выбрать пункт Сигналы
интерактивного меню

Выбрать пункт Температура

Выбрать пункт Таблица
данных/Таблица меню
Просмотр

В открывшемся окне
задаем начальную и
конечную температуру,
количество точек
(инкремент)

В результате будет
открыто окно Excel с
данными эксперимента

В Excel можно
совместить данные всех
трех экспериментов и
рассчитать теплоемкость

Данные для вычисления Cp стандартного
образца можно получить в открытых
источниках, например
http://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C134
4281&Units=SI&Mask=2#Thermo-Condensed

Specialty Library
Программа Specialty Library
предназначена для определения
теплоемкости, чистоты веществ и
кинетических расчетов

Specialty Library
Выбираем пункт New
Analysis меню File

Specialty Library
В открывшемся окне
выбираем пункт DSC
Heat Capacity Analysis
(вычисление Cp)

Specialty Library
Далее выбираем файлы
образца Sample, базовой
линии Baseline и
стандарта Reference

Specialty Library

Specialty Library
Вычисления выполняются
автоматически. При этом
можно изменять
температурные пределы.

Specialty Library
В меню Graph выбираем
пункт Heat Capacity

Прямое определение Ср

Классический ДСК
Rs Rr
qs qr
TrTs
T Tfs fr
Модель измерения
теплового потока
s
sfs
s
R
TT
q


r
rfr
r
R
TT
q


rs qqq 
R
T
R
TT
q sr 



Эта модель предполагает, что термосопротивления канала образца и сравнения в калориметре
идентичны и печь обеспечивает равномерный нагрев всей калориметрической ячейки.

ДСК Tzero™
Модель измерения
теплового потока
Rs Rr
qs qr
Cs Cr
Tr
T0
Ts
rs TTT  sTTT  00
dt
dT
C
R
T
q s
s
s 

 0
dt
dT
C
R
TT
q r
r
r 

 0

ДСК Advanced Tzero™
qsam
Rs Rr
qs qr
Cs Cr
Tr
T0
Ts
Rp Rp
mprcpan
Tps Tpr
Rs Rr
qs qr
Cs Cr
Tr
T0
Ts
Rp Rp
mprcpan
Tps Tpr
mpscpanmpscpanm
Модель
Advanced Tzero
учитывает
вклад тиглей Rp
Cpan
Rs
T4P
T4
qref

В интерактивном меню
(нажатие правой клавишей
мыши) выбираем пункт
Сигналы

В открывшемся меню
выбираем сигнал Cp, для
модулированного ДСК Обр
Ср

Тепловой поток ДСК
t)(T,
dt
dT
Cp
dt
dH
f
ДСКпотоктепловой
dt
dH

нагреваскорость
dt
dT

аясоставляющаякинетическ
времениотфункция-потоктепловойt)(T, f
Cp – удельная теплоемкость

Модулированная ДСК
0
10
20
30
[––––––]Deriv.ModulatedTemperature(°C/min)
0
40
80
120
160
200
[––––]Temperature(°C)
0
40
80
120
160
200ModulatedTemperature(°C)
40 60 80 100 120 140 160
Time (min)

Temperature°C

60 Min Epoxy
18.6mg
Quasi-Iso .75/60
66.66min
1.839J/(g·°C)
1.540J/(g·°C)
140.04min
140.04min
1.592J/(g·°C)
48.79min
1.844J/(g·°C)
286.70min
48.79min
78.48%
66.66min
90.00%
20
40
60
80
100
%Cure
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
2.0
RevCp(J/(g·°C))
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
HeatFlow(mW)
0 50 100 150 200 250 300
Time (min)Exo Up Universal V4.3A TA Instruments

Выбор сигналов

Анализаторы температуропроводности
pC



температуропроводность
теплопроводность
плотность теплоемкость

Метод вспышки
T0 + T
L (обычно 2 мм, до 6 мм)
Короткий импульс
300 – 500 мксек
t1/2 < 0.2 сек
точность +/-2 %1–3°C
Твердотельный детектор
или ИК-детектор
Ø 8 - 25 мм

Термограмма (метод вспышки)
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
-0,05 0,05 0,15 0,25 0,35
ArbitraryUnits
Time (sec)
2
1/2
L
α = 0.1388
t
t1/2
Уравнение Паркера
где:
 = коэф. температуропроводности
L = толщина образца

Анализаторы Discovery Flash
Конфигурация Источник Термостат Температура Число
образцов
DXF-24 DXF EM-24 Комн. 24
DXF-200 DXF EM-200 -150-200ºC 2
DXF-500 DXF EM500 Комн.-500ºC 4
DLF-1200 DLF1 EM-1200 Комн.-1300ºC 4
DLF-1600 DLF2 EM-1600 Комн.-1600ºC 6
DLF-2800 DLF2 EM-2800 Комн.-2800ºC 6

Теплоемкость методом вспышки

Спасибо за внимание!

методы определения теплоемкости

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to методы определения теплоемкости

Similar to методы определения теплоемкости (20)

методы определения теплоемкости