비열 용량 측정

열용량은 물질의 온도를 미리 정해진 양만큼 변화시키는 데 필요한 열의 수준을 결정하는 고유한 물리적 특성입니다. 비열 용량은 물질의 열용량을 질량으로 나눈 것으로 1그램의 온도를 섭씨 1도(또는 1켈빈) 올리는 데 필요한 에너지의 양을 결정합니다. 이는 기술 공정의 최적화나 열 위험 평가와 같은 다양한 목표에 유용한 물리량입니다. 비열 용량 단위는 일반적으로 그램-켈빈당 줄 또는 J/gK입니다.

물질의 열용량을 계산하려면 다음 방정식을 사용합니다.

c_p  =  q / (m  ∙ ∆ T)

여기서 c_p  =  비열, m = 질량(g), q  =   손실되거나 얻은 에너지, ∆T = 온도 변화

주제 개요:

• 온도의 함수로서의 비열 용량
• 일반적인 물질의 비열 값
• 시차 주사 열량계(DSC)
• 표준
• STARe 소프트웨어 – 비열 용량을 측정하는 6가지 분석법
• 조정 및 교정(Calibration)
• Tips & Hints
• FAQ

물질의 비열 용량은 온도의 함수입니다. 다이어그램에서 볼 수 있듯이 사파이어의 비열 용량은 온도에 따라 증가하며, 이는 대부분의 물질에서 일반적입니다. 물은 약 4 J/gK의 매우 높은 비열 용량을 가지며 약 35°C에서 최소 비열 용량을 가지는 이례적 거동을 보입니다.

자세한 내용은 DSC에 의한 비열 용량 측정에 대한 웹 세미나를 참조하십시오.

서로 다른 물질은 서로 다른 방식으로 열에 반응합니다. 이것의 일반적인 실제 예로는 동일한 조건에서 동일한 양의 물에 비교하여 직사광선 하에 놓여있는 금속 물체를 들 수 있습니다. 금속은 빠르게 매우 뜨거워지지만 물은 그렇지 않습니다. 즉, 물의 열용량이 더 높습니다.

고체 및 액체의 값은 0.1 ~ 5 J/gK입니다. 대부분의 물질의 비열은 온도가 올라감에 따라 증가하므로 측정은 종종 비교적 넓은 온도 범위에서 수행됩니다. 25°C에서의 몇 가지 예가 표에 나와 있습니다.

비열 용량에 대한 자세한 설명은 실용 열 분석 핸드북에 나와 있습니다.

시차 주사 열량계(DSC)는 많은 분석, QC 및 R&D 실험실에 배치된 다목적 측정 기법입니다. 이는 일정한 속도에서 가열, 냉각 또는 등온 유지될 때 샘플에서 생산되는 열 흐름을 측정합니다.

DSC는 사용의 용이성, 짧은 측정 시간 및 최대 ±2%의 달성 가능한 정확도(사용된 특정 방법에 따라 다름, 다음 섹션 참조)로 인해 비열 용량 측정에 인기 높은 방법입니다.

기존의 DSC는 일반적으로 최대 700°C까지 측정할 수 있습니다. 그러나 메틀러 토레도 TGA/DSC를 사용하면 700°C 이상에서도 뛰어난 결과를 얻을 수 있습니다.

이 폴리스티렌의 예시에서, 열 흐름 곡선은 측정된 온도 범위의 비열 용량에 정비례합니다.

널리 인정되고 적용되는 비교 표준을 제공하기 위해 하나의 표준이 사용됩니다. 이를 통해 생산 또는 테스트 공정을 다른 절차와 일관되게 비교할 수 있습니다. 이는 테스트 결과의 신뢰성을 보장하는 좋은 방법입니다. 가능한 경우, 표준은 품질 보증, 인증 또는 승인에 필요한 분석법 검증을 대체할 수 있습니다. 현재, 열 분석의 표준화가 여러 국가 및 ISO, ASTM, DIN 및 CEN과 같은 국제 기구에서 시행되고 있습니다. DSC에서 비열 용량은 열 흐름 곡선에서 계산할 수 있습니다. 결과는 ISO 11357-1, ISO 11357-4, DIN 53765, DIN 51007-1 또는 ASTM E1269와 같은 표준에 따라 평가됩니다.

여러 가지 다른 분석법을 사용하여 DSC 열 흐름 곡선으로부터 비열 용량을 측정할 수 있습니다. 메틀러 토레도의 STAR^e 소프트웨어는 다음 분석법을 지원합니다.

소위 직접 및 사파이어 분석법으로 불리는 이 분석법은 기존 DSC 기기와 선형 온도 프로그램을 사용하여 수행됩니다. 기존 DSC에는 열 흐름 신호(총합)가 하나만 있습니다. 그러나 열용량은 현열 용량(가역 열 흐름)과 잠열 용량(비가역 열 흐름)의 두 가지 구성 요소로 이루어집니다.

c_p = c_{p, 현열} + c_{p, 잠열}

잠열 용량은 용융, 결정화 또는 화학 반응과 같은 물리적 또는 화학적 전이와 관련이 있습니다. 이러한 열 이벤트는 흡열 또는 발열 피크와 같이 DSC 곡선에서 관찰됩니다. 결과적으로, 잠열 용량은 흡열 이벤트에 대해 양의 값이고 발열 이벤트에 대해서는 음의 값입니다.

현열 용량은 분자의 재 배열 및 전반적인 이동으로 인해 흡수되는 열의 양과 관련이 있습니다. 이 구성 요소는 양의 값입니다. 다이어그램의 DSC 곡선은 열 이벤트가 발생하지 않는 경우 현열 용량이 측정된 열 흐름과 직접 관련이 있다는 것을 보여줍니다. 많은 전이에서 현열 용량은 관련 피크의 기준선을 정의합니다.

온도 변조 DSC(TMDSC)는 전체 열 흐름을 가역 및 비가역 구성 요소로 분리할 수 있다는 점에서 기존 DSC와 다릅니다. 이는 유리 전이(가역 열 흐름 구성 요소) 및 엔탈피 완화(비가역 열 흐름 구성 요소)와 같이 다양한 열 효과가 겹치는 정확한 cp 데이터를 제공하는 데 중요합니다.

온도 변조 DSC에 사용되는 온도 프로그램은 기존 DSC 실험에 사용되는 프로그램에 비해 훨씬 복잡합니다. 메틀러 토레도는 온도 변조 DSC 측정을 수행하기 위한 세 가지 기법을 제공합니다. 가장 중요한 기능은 아래에 요약되어 있습니다.

비열은 온도의 함수이므로 사용 가능한 측정 범위에서 온도를 교정(확인)해야 합니다. 필요한 경우 조정해야 합니다. DSC에서 재현성이 없는 가장 중요한 원인은 센서와 Crucible 사이, 그리고 Crucible과 샘플 사이의 열 전달입니다. 결과적인 등온 드리프트는 DIN 51007 표준에서 제안된 분석법을 적용하여 수정할 수 있습니다.

예를 들어, LGC(영국), NIST(미국) 또는 PTB(독일)의 인증된 기준 물질을 사용하여 DSC를 적절하게 조정하면 정확한 열용량 데이터를 얻을 수 있습니다. 직접 분석법을 사용하는 경우 원하는 온도 범위와 Crucible에 맞도록 열 흐름을 적절하게 조정해야 합니다.

열 분석 교정(Calibration) 및 열 흐름과 온도 조정은 메틀러 토레도의 다음 리소스에 자세히 설명되어 있습니다.

양질의 정량적 열용량 데이터를 측정하는 것은 DSC에 있어서 어려운 과제입니다. 그럼에도 불구하고 이는 DSC 기기의 가용성, 간단한 샘플 준비, 상대적으로 짧은 측정 시간, 우수한 정확성 및 상용 소프트웨어를 사용한 쉬운 평가 때문에 일반적이고 유용한 기법입니다.

적합한 데이터를 얻기 위한 Tips & Hints는 다음과 같습니다.

• 측정 전에 기기를 안정화합니다.
• 기기를 켠 후에 첫 번째 측정을 사용하지 마십시오.
• 반복 측정을 사용하여 재현성을 검사합니다.
• 다양한 측정을 평균화하여 정확도를 향상시킵니다.
• 분석법에서 블랭크-곡선 감산을 사용합니다(TOPEM의 경우 예외).
• Crucible을 센서에 정확하게 놓습니다.
• 세 가지 모든 측정에 동일한 Crucible을 사용합니다. 이것이 가능하지 않다면, ASTM 표준에 제안된 대로 질량 차이가 10 µg 미만으로 아주 작은 Crucible을 사용합니다.
• 차이가 큰 Crucible의 경우에는 Crucible 질량 수정을 사용합니다.
• 권장 사항: 40µL Crucible, 샘플 질량: 10 ~ 20 mg(유기 물질의 경우).
• 5 ~ 10 K/min 범위의 가열 속도를 적용합니다.
• 측정 후 샘플을 계량합니다. 큰 질량 손실은 c_p 데이터의 신뢰성을 떨어뜨립니다. 질량 손실은 자동으로 TGA/DSC에 기록됩니다.
• 특히 비 변조 분석법 사용 시 정확도를 높이려면 다음을 따릅니다.
  • 더 큰 샘플 질량 사용, C_p(샘플) » C_p(표준)
  • 샘플 및 Crucible 간에 우수한 열 접촉을 보장합니다.