“비열 용량은 물질이 열을 저장하는 능력을 나타냅니다. 이 물질의 양은 주어진 양의 물질을 1켈빈으로 가열하는 데 필요한 열량에 해당합니다.”
의 도움으로 DSC를 사용하여 비열용량(이하 Cp)을 결정할 수 있습니다[3, 섹션 6.2]. 질량을 더한 비열 용량은 집약적인 양입니다. 이는 정의된 온도 차이만큼 물질의 질량을 증가시키기 위해 물질이 얼마나 많은 열을 흡수해야 하는지를 나타냅니다. Cp는 온도에 따라 달라지며 다음과 같이 계산됩니다.
여기서 주변 압력은 일정하다고 가정합니다[2, 118페이지]. 비열 용량 [3, 78페이지]의 단위는 다음과 같습니다.
표시된 Cp 값이 증가하는 이유는 이 전환의 흡열 특성 때문입니다. 이로 인해 측정 시스템은 주어진 온도 프로파일을 따르기 위해 더 많은 에너지를 공급하게 됩니다. 그러나 이는 실제 Cp와 일치하지 않으므로 상전이 영역의 비열 용량은 무한하다고 가정합니다.
사파이어를 사용한 참조
사파이어는 DSC로 비열 용량을 측정하기 위한 보정 계수를 결정하는 데 가장 널리 사용되는 표준입니다. 알루미늄 산화물(이하 Al2O3)로 구성된 결정은 자연적인 형태로 존재합니다. 그러나 사파이어는 합성으로 완벽한 품질로 생산할 수도 있습니다. 합성으로 생산된 사파이어 글래스는 일반적으로 무색이며, 2050°C의 높은 용융 온도로 인해 DSC에 일반적으로 사용되는 온도 범위에서 불활성입니다. 인공 생산은 사파이어를 높은 정확도로 제조할 수 있으며 매우 정밀한 표준을 나타냅니다. 그러나 비열 용량이 크게 다른 샘플은 측정 편차가 나타날 수 있습니다. 이 경우 비열 용량이 비슷한 표준을 사용해야 합니다.
DSC를 사용하여 비열 용량을 결정하는 방법
차동 주사 열량계를 사용하여 비열 용량을 측정하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 아래에 간략하게 소개합니다.
DSC를 사용한 기존 CP 측정
DSC를 통한 비열 용량의 고전적인 측정은 세 단계로 수행됩니다. 첫 번째 단계에서는 측정 시스템의 관성을 보정하기 위해 해당 시료 도가니만 가열하여 실험에 해당하는 제로 곡선을 기록합니다. 두 번째 단계에서는 동일한 실험 조건에서 알려진 기준 물질을 측정합니다. 전제 조건은 물질이 매우 순수하고 잘 정의되어 있으며 원하는 온도 범위에서 불활성이어야 한다는 것입니다. 마찬가지로, 온도에 따른 기준 물질의 열용량에 대한 문헌 값을 사용할 수 있어야 합니다. 세 번째 단계에서는 조사할 샘플을 동일한 실험 조건에서 측정합니다. 각각의 경우 기준 및 샘플 측정값에서 제로 곡선을 뺍니다. 두 DSC 곡선의 차이에서 보정 계수를 구하고 열 흐름을 비교하면 다음에 따라 비열 용량을 계산할 수 있습니다.
[4, p. 119]. 세 가지 곡선의 그림과 방법은 그림 2에서 볼 수 있습니다. 2.
매우 작은 시료 중량을 사용하기 때문에 기준 물질과 시료의 질량을 매우 정확하게 결정해야 합니다. 도가니 및 기타 모든 주변 조건은 가능한 한 동일하게 유지해야 합니다. 그렇지 않으면 측정 편차가 발생하므로 도가니와 시료를 정확하게 배치하는 데 주의를 기울여야 합니다. 또한 시료 전체의 온도 구배와 같은 영향을 최소화하기 위해 기준 물질은 초기 무게와 비열 용량 측면에서 조사 중인 시료와 유사해야 합니다.
DSC를 사용한 온도 변조 CP 측정
온도 변조 측정을 통해 비열 용량을 결정할 때 온도 곡선은 사인파에 의해 겹쳐집니다. 이 측정 방법의 전제 조건은 DSC가 주어진 변조 온도를 따를 수 있어야 한다는 것입니다. 따라서 온도 프로파일 [4, 132페이지]은 다음과 같이 설명할 수 있습니다:
이로부터 열 흐름은 다음과 같은 결과를 초래합니다.
와 함께
[2, 187페이지] 적용 대상은 다음과 같습니다.
측정된 DSC가 평가되면 비열 용량 [1, 363페이지]은 다음에 따라 계산됩니다.
측정 시스템과 용광로의 관성은 진폭을 제한하고 긴 기간을 유발합니다.
결과 열용량의 좋은 분해능을 얻으려면 충분히 많은 변조 기간을 거쳐야 하므로 측정에 많은 시간이 소요됩니다.
DSC를 사용한 온도 변조 CP 측정
온도 변조 측정을 통해 비열 용량을 결정할 때 온도 곡선은 사인파에 의해 겹쳐집니다. 이 측정 방법의 전제 조건은 DSC가 주어진 변조 온도를 따를 수 있어야 한다는 것입니다. 따라서 온도 프로파일 [4, 132페이지]은 다음과 같이 설명할 수 있습니다:
이로부터 열 흐름은 다음과 같은 결과를 초래합니다.
와 함께
[2, 187페이지] 적용 대상은 다음과 같습니다.
측정된 DSC가 평가되면 비열 용량 [1, 363페이지]은 다음에 따라 계산됩니다.
측정 시스템과 용광로의 관성은 진폭을 제한하고 긴 기간을 유발합니다. 결과 열용량의 좋은 분해능을 얻으려면 충분히 많은 변조 기간을 거쳐야 하므로 측정에 많은 시간이 소요됩니다.
DSC 신호의 가역적 부분과 비가역적 부분의 분리
DSC 신호는 다음에 따라 가역(이하 REV로 약칭)과 비가역(이하 NONREV로 약칭) 부분으로 나눌 수 있습니다.
[5, p. 172]. DSC 신호의 가역적 부분에는 유리 전이 또는 용융 과정과 같이 재현 가능하게 발생하는 효과가 포함됩니다[2, 3.1.4장]. 비가역적 효과는 물의 증발과 같이 해당 시료에서 한 번만 발생하는 효과입니다. 온도 변조 측정의 도움으로 이러한 신호를 서로 분리할 수 있습니다. 온도 변조 측정을 계산하는 공식 [5, 172페이지]에 따르면 다음과 같이 가정할 수 있습니다.
따라서 가역적인 부분은 다음과 같이 설명할 수 있습니다.
에 따라 DSC 신호의 비가역적인 부분과
변조된 측정 신호가 기록되고 온도 변조 CP 측정에서와 같이 DSC를 사용하여 비열 용량을 계산한 경우, NONREV는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.
따라서 REV는 DSC 신호에서 NONREV를 빼서 계산할 수도 있습니다. 측정 중에 다른 효과가 중첩되는 경우 이러한 분리를 통해 효과를 명확하게 할당하고 평가할 수 있는 경우가 많습니다. 그러나 필요한 시간과 노력이 훨씬 더 많이 듭니다. 그림. 3은 가역 및 비가역 구성 요소와 관련된 DSC 신호의 일반적인 표현을 보여줍니다.
3-DSC를 통한 오메가 CP 측정
비열 용량을 측정하는 또 다른 방법은 3ω 방법입니다. 데이비드 케이힐이 발명한 이 방법은 각속도 ω로 여기된 히터를 사용합니다. 이 방법은 실제로 열전도율을 결정하는 데 사용됩니다 [6, 19페이지]. 이것은 다음에 의해 결정됩니다.
와 함께 사용할 수 있으며
로 변환할 수 있습니다[6, 69페이지]. 따라서 시료의 주기적인 온도 변화를 측정하여 비열 용량이 얼마나 큰지 확인할 수 있습니다. 그러나 이 방법은 기존 DSC 측정에서 거의 사용되지 않는 박막 시료를 측정하도록 설계되었기 때문에 기존 DSC 기기에는 거의 적합하지 않습니다.
다음 린세이 측정기를 사용하여 비열 용량을 측정할 수 있습니다: Chip-DSC, DSC PT 1600, STA
문학:
- B. Wunderlich, 고분자 재료의 열 분석. 베를린, 하이델베르크: 스프링거-베를라그 베를린 하이델베르크, 2005.
- S. M. Sarge, G. W. H. Höhne und W. Hemminger, 열량 측정: 기초, 계측 및 응용. Weinheim, Germany: Wiley-VCH Verlag, 2014.
- G. W. H. 회네, W. 헤밍거, H.-J. 플라머하임, 차동 주사 열량 측정: 실무자를위한 소개. 베를린, 하이델베르크: Springer, 1996.
- G. W. H. 회네, W. F. 헤밍거, H.-J. 플라머하임, 차동 주사 열량 측정, 2. Aufl. 베를린, 하이델베르크: Springer, 2003.
J. D. Menczel und R. B. Prime, 폴리머의 열 분석. Hoboken, N.J: John Wiley, 2009. - P. 뵈크와 T. 웨첼, Wärmeübertragung: Grundlagen und Praxis, 5. Aufl. Berlin: Springer Vieweg, 2014.
