Методы определения
теплоемкостиМарат Ахметов
Определение теплоемкости
Теплоёмкость тела - физическая
величина, определяющая отношение
бесконечно малого количества теплоты
δQ, полученного телом, к
соответствующему приращению его
температуры δT:
𝐶 =𝛿𝑄
𝛿𝑇Единица 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).
8 800 200 4225 www.intertech-corp.ru
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.
8 800 200 4225 www.intertech-corp.ru
Метод определения
Классический метод ДСК заключается в
последовательном измерении трех
кривых:
базовая линия с пустыми тиглями
эксперимент со стандартным образцом
эксперимент с образцом
8 800 200 4225 www.intertech-corp.ru
Метод определения
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
8 800 200 4225 www.intertech-corp.ru
-40
-30
-20
-10
0
10
Тепл
овой п
ото
к (m
W)
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Время (min)
Образец––––––– Стандарт––––––– Нулевая–––––––
Экзо вверх Universal V4.7A TA Instruments
Пример ДСК-кривых
8 800 200 4225 www.intertech-corp.ru
Метод определения
Для расчета теплоемкости образца
(𝐶𝑝,обр) используют следующее уравнение
𝐶𝑝,обр =𝑄обр − 𝑄нул
𝑄стд − 𝑄нул∙𝑚стд
𝑚обр∙ 𝐶𝑝,стд
где 𝑄обр, 𝑄стд, 𝑄нул - тепловые потоки образца,
стандарта и пустого тигля, соответственно
𝑚обр , 𝑚стд - масса образца и стандарта,
соответственно
𝐶𝑝,стд - теплоемкость стандарта
8 800 200 4225 www.intertech-corp.ru
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
8 800 200 4225 www.intertech-corp.ru
Подготовка исходных данных
8 800 200 4225 www.intertech-corp.ru
Необходимо открыть все три файла
Подготовка исходных данных
8 800 200 4225 www.intertech-corp.ru
Выбрать Тепловой поток для оси Y1
и Время для оси X
Подготовка исходных данных
8 800 200 4225 www.intertech-corp.ru
Необходимо отменить нормирование
теплового потока используя пункт
Единицы меню График
Для этого надо выбрать единицы
измерения mW
Подготовка исходных данных
8 800 200 4225 www.intertech-corp.ru
Необходимо скомпенсировать дрейф
базовой линии для каждой кривой.
Для этого используют пункт
Поворот… меню Сервис
Подготовка исходных данных
8 800 200 4225 www.intertech-corp.ru
Используя инструмент Поворот…
устанавливаем точки в серединах
изотермических участков таким
образом, чтобы горизонтальная линия
проходила через ноль.
Для выполнения операции нажмите
клавишу Ввод (Enter)
Подготовка исходных данных
8 800 200 4225 www.intertech-corp.ru
По завершении операции можно
проверить положение изотермических
участков
Расчет теплоемкости
8 800 200 4225 www.intertech-corp.ru
Совмещаем все три кривые с
помощью пункта
Совместить/Автонастройка
меню График
Расчет теплоемкости
8 800 200 4225 www.intertech-corp.ru
Отмечаем значения теплового потока
для одной и той же температуры
Расчет теплоемкости
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)
𝐶𝑝,обр =−7,771 − (−0,266)
−11,190 − (−0,266)∙62,589
30,610∙ 825,8
= 1160,05 Дж/кг ∙ К
8 800 200 4225 www.intertech-corp.ru
Экспорт в Excel
8 800 200 4225 www.intertech-corp.ru
Выбрать пункт Сигналы
интерактивного меню
Экспорт в Excel
8 800 200 4225 www.intertech-corp.ru
Выбрать пункт Температура
Экспорт в Excel
8 800 200 4225 www.intertech-corp.ru
Выбрать пункт Таблица
данных/Таблица меню
Просмотр
Экспорт в Excel
8 800 200 4225 www.intertech-corp.ru
В открывшемся окне
задаем начальную и
конечную температуру,
количество точек
(инкремент)
Экспорт в Excel
8 800 200 4225 www.intertech-corp.ru
В результате будет
открыто окно Excel с
данными эксперимента
Экспорт в Excel
8 800 200 4225 www.intertech-corp.ru
В Excel можно
совместить данные всех
трех экспериментов и
рассчитать теплоемкость
Экспорт в Excel
8 800 200 4225 www.intertech-corp.ru
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
8 800 200 4225 www.intertech-corp.ru
Specialty Library
8 800 200 4225 www.intertech-corp.ru
Выбираем пункт New
Analysis меню File
Specialty Library
8 800 200 4225 www.intertech-corp.ru
В открывшемся окне
выбираем пункт DSC
Heat Capacity Analysis
(вычисление Cp)
Specialty Library
8 800 200 4225 www.intertech-corp.ru
Далее выбираем файлы
образца Sample, базовой
линии Baseline и
стандарта Reference
Specialty Library
8 800 200 4225 www.intertech-corp.ru
Specialty Library
8 800 200 4225 www.intertech-corp.ru
Вычисления выполняются
автоматически. При этом
можно изменять
температурные пределы.
Specialty Library
8 800 200 4225 www.intertech-corp.ru
В меню Graph выбираем
пункт Heat Capacity
Specialty Library
8 800 200 4225 www.intertech-corp.ru
Прямое определение Ср
8 800 200 4225 www.intertech-corp.ru
Классический ДСК
8 800 200 4225 www.intertech-corp.ru
Rs Rr
qs qr
TrTs
T Tfs fr
Модель измерения
теплового потокаs
sfs
sR
TTq
r
rfr
rR
TTq
rs qqq
R
T
R
TTq sr
Эта модель предполагает, что термосопротивления канала образца и сравнения в калориметре
идентичны и печь обеспечивает равномерный нагрев всей калориметрической ячейки.
ДСК Tzero™
8 800 200 4225 www.intertech-corp.ru
Модель измерения
теплового потока
Rs Rr
qs qr
Cs Cr
Tr
T0
Ts
rs TTT sTTT 00
dt
dTC
R
Tq s
s
s
0
dt
dTC
R
TTq r
r
r
0
ДСК Advanced Tzero™
8 800 200 4225 www.intertech-corp.ru
q sam
R s R r
q s q r
C s C r
T r
T0
T s
R p R p
mprcpan
Tps Tpr
R s R r
q s q r
C s C r
T r
T0
T s
R p R p
mprcpan
Tps Tpr
mpscpanmpscpanmМодель
Advanced Tzero
учитывает
вклад тиглейRp
Cpan
RsT4P
T4
q ref
Прямое определение Ср
8 800 200 4225 www.intertech-corp.ru
В интерактивном меню
(нажатие правой клавишей
мыши) выбираем пункт
Сигналы
Прямое определение Ср
8 800 200 4225 www.intertech-corp.ru
В открывшемся меню
выбираем сигнал Cp, для
модулированного ДСК Обр
Ср
Прямое определение Ср
8 800 200 4225 www.intertech-corp.ru
Тепловой поток ДСК
t)(T,dt
dT Cp
dt
dHf
ДСК поток тепловойdt
dH
нагрева скоростьdt
dT
аясоставляющ аякинетическ
времени от функция - поток тепловой t)(T, f
8 800 200 4225 www.intertech-corp.ru
Cp – удельная теплоемкость
Модулированная ДСК
8 800 200 4225 www.intertech-corp.ru
0
10
20
30
[ –
––
––
– ]
De
riv
. M
od
ula
ted
Te
mp
era
ture
(°C
/min
)
0
40
80
120
160
200
[ –
– –
– ]
Te
mp
era
ture
(°C
)
0
40
80
120
160
200M
od
ula
ted
Te
mp
era
ture
(°C
)
40 60 80 100 120 140 160Time (min)
Модулированная ДСК
8 800 200 4225 www.intertech-corp.ru
Модулированная ДСК
8 800 200 4225 www.intertech-corp.ru
0
10
20
30
[ –
––
––
– ]
De
riv
. M
od
ula
ted
Te
mp
era
ture
(°C
/min
)
0
40
80
120
160
200
[ –
– –
– ]
Te
mp
era
ture
(°C
)
0
40
80
120
160
200M
od
ula
ted
Te
mp
era
ture
(°C
)
40 60 80 100 120 140 160Time (min)
Модулированная ДСК
8 800 200 4225 www.intertech-corp.ru
Tem
pera
ture
°C
Модулированная ДСК
8 800 200 4225 www.intertech-corp.ru
60 Min Epoxy18.6mgQuasi-Iso .75/60
66.66min1.839J/(g·°C)
1.540J/(g·°C)
140.04min
140.04min1.592J/(g·°C)
48.79min1.844J/(g·°C)
286.70min
48.79min78.48%
66.66min90.00%
20
40
60
80
100
% C
ure
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
2.0
Re
v C
p (
J/(g
·°C
))
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
He
at
Flo
w (
mW
)
0 50 100 150 200 250 300
Time (min)Exo Up Universal V4.3A TA Instruments
Модулированная ДСК
8 800 200 4225 www.intertech-corp.ru
Модулированная ДСК
8 800 200 4225 www.intertech-corp.ru
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 секточность +/-2 %1–3°C
Твердотельный детекторили 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
Arb
itra
ry U
nit
s
Time (sec)
2
1/2
Lα = 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
8 800 200 4225 www.intertech-corp.ru
Расчет теплоемкости
Спасибо за внимание!
8 800 200 4225 www.intertech-corp.ru
Top Related