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비열 용량(Cp)
비열 용량(Cp)흔히 비열이라고도 하는 비열 용량은 물질의 기본적인 열물리학적 특성입니다. 이는 물질이 열 에너지를 저장하는 능력을 나타내며, 온도를 1켈빈 올리기 위해 물질 1그램에 추가해야 하는 열의 양과 같습니다. 이 과정에서 1차 상전이(예: 용융)가 일어나지 않아야 하는데, 이 경우 Cp가 무한히 커질 수 있으므로 측정할 수 없습니다.
비열 용량의 SI 단위는 킬로그램당 킬로줄에 켈빈을 곱한 값 [J/g*K)] 입니다.
일반적으로 비열 용량은 입력되는 열에 따라 등압(일정한 압력에서 Cp)과 등유(일정한 부피에서 CV) 로 구분할 수 있습니다.
일정한 부피에서는 열량이 온도를 높이는 데 전적으로 사용되지만, 일정한 압력에서는 부피 변화에 열의 일부만 필요합니다.
가스 및 증기를 측정할 때는 이 점을 고려해야 합니다.
Cp 값이 크면 일정량의 열이 발생해도 온도가 약간만 상승하고, 값이 작으면 같은 양의 열이 발생해도 더 큰 온도 상승을 일으킬 수 있습니다.
고체와 액체의 비열 용량은 0.1~5J/g*K 사이입니다.
substance | aluminum | glass | chocolate | cement | water (20 °C) | PET (crystalline, 20°C) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Cp in [J/g*K] | 0,896 | 0,6 bis 0,8 | 3,140 | 0,754 | 4,187 | 1,510 |
표 1: 일부 재료의 Cp 값(Chemie.de)
중요한 재료 특성인 Cp는 사양 및 데이터 시트에 기재되며 엔탈피 및 엔트로피와 같은 열역학적 양을 계산하는 데 사용됩니다. 또한 다양한 산업에서 재료와 그 응용 분야를 평가하는 데 도움이 됩니다.
DSC를 사용하여 비열 용량 결정하기
열역학적 변수로서 Cp를 측정하는 한 가지 방법은 다음을 사용하는 것입니다. 차동 주사 열량 측정(DSC). 이를 위해 시료와 기준은 DSC 오븐에서 동적 온도 프로그램을 통해 실행됩니다. 시료와 기준 사이에 발생하는 온도 차이는 적절한 보정 후 열 흐름에 기인합니다.
다양한 측정 방법을 사용할 수 있습니다.
직접 방법을 사용하면열 유량을 가열 속도와 시료 질량으로 나눈 값에서 Cp를 직접 계산할 수 있습니다.
이 과정은 빠르지만 정확도가 높지는 않습니다.
이 때문에 보다 정밀한 사파이어 방식이 표준으로 자리 잡았습니다. DIN 51007 및 ASTM E 1269 표준.
사파이어 방식
이것은 비교 방법입니다. 동일한 조건에서 세 가지 측정이 수행됩니다.
- 첫 번째는 빈 커브를 결정하기 위해 두 개의 빈 도가니를 사용하여 수행합니다.
- 두 번째 단계에서는 질량과 비열 용량이 알려진 평평한 사파이어 디스크(α-알루미늄 산화물)를 기준으로 측정하고, 두 번째 도가니는 비어 있는 상태로 유지합니다.
- 세 번째 측정의 경우, 사파이어 디스크를 알 수 없는 Cp의 샘플로 교체하고 프로그램을 다시 실행합니다.
- 그런 다음 다음 방정식에 따라 세 가지 측정 곡선을 사용하여 시료의 비열 용량 곡선을 온도 함수로 결정할 수 있습니다:
Where:
- Cp,p: 시료의 비열 용량
- Cp,수액: 사파이어 기준의 비열 용량
- θp: 시료의 열 흐름
- θ0: 블랭크 커브의 열 흐름
- θsap: 사파이어 레퍼런스의 열 흐름
- MSAP: 사파이어 참조의 질량
- mp: 샘플의 질량
Cp 측정 시 오류 고려 사항
Cp를 계산할 때는 세 가지 측정에 모두 동일한 도가니를 사용해야 합니다. 이것이 불가능하다면 도가니의 질량과 Cp를 알고 있어야 합니다. 오차를 고려할 때는 이러한 불확실성을 반드시 고려해야 합니다.
또한 온도가 상승함에 따라 측정 감도가 감소한다는 점에 유의해야 합니다. 시료의 측정된 열 흐름(DSC 신호)도 오차가 발생할 수 있습니다. 이는 센서와 시료 사이의 열 저항으로 인해 발생하며 항상 실제 열 흐름보다 작습니다. 이 오차는 가열 중 재료의 뚜렷한 온도 프로파일에 의해 증가합니다.
과도한 가열 속도, 큰 질량 및 열 용량, 시료, 도가니 및 센서 사이의 열 접촉 불량 등은 모두 특히 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 또한 시료의 열전도율과 비열 용량이 동일한 열 흐름이 발생할 수 있도록 기준의 열전도율과 비열 용량이 시료의 영역에 있는지 확인해야 합니다.
온도 변조 DSC
기존 DSC 측정 중에 반전 효과와 비반전 효과가 동시에 발생하면 DSC 신호에 중첩이 발생하여 결과를 명확하게 평가할 수 없게 됩니다.
이를 해결하기 위해 온도 변조 DSC를 사용하면 중첩된 효과를 서로 분리할 수 있습니다.
가열 속도는 정현파 온도 변조에 의해 중첩됩니다.
그 결과 선형 또는 일정한 부분이 상대적으로 빠른 온도 변화로 비선형 부분을 방해하는 두 부분으로 구성된 온도 제어가 이루어집니다.
이 절차는 ASTM E2716 09 표준.
이 온도 변조 측정의 장점은 고온에서도 최대 1%의 정확도를 달성할 수 있다는 것입니다.
비열 용량을 결정하려면 시간이 많이 소요되는 테스트 실행이 필요합니다.
화학 반응, 결정화 또는 증발과 같은 동적 프로세스 중에 Cp를 측정해야 하는 경우 가치가 있습니다.
또한 특수 평가 소프트웨어 가 필요합니다.
도가니 재료의 영향
DSC 측정의 경우, 도가니와 시료가 호환되는지 확인하세요. 도가니 뚜껑도 측정에 영향을 미칩니다.
