Özgül Isı Kapasitesi Ölçümü

Isı kapasitesi maddenin doğasında bulunan fiziksel bir özelliktir ve maddenin sıcaklığını önceden belirlenen bir miktarda değiştirmek için gereken ısı seviyesini belirler. Özgül ısı kapasitesi, bir maddenin ısı kapasitesinin kütlesine bölümünü ifade ederek, maddenin bir gramının sıcaklığını bir santigrat derece (veya bir Kelvin) artırmak için gereken enerji miktarına karşılık gelir. Bu, teknik prosesleri optimize etmek veya termal riskleri değerlendirmek gibi bir dizi amaç için kullanılabilecek faydalı bir fiziksel miktardır. Özgül ısı kapasitesi birimleri genellikle joule/gram-kelvin veya J/gK'dır.

Bir malzemenin ısı kapasitesini hesaplamak için aşağıdaki formül kullanılır:

c_p = q / (m ∙ ∆ T)

Burada c_p = özgül ısı, m = gram cinsinden kütle, q = kaybedilen veya kazanılan enerji ve ∆T = sıcaklıktaki değişimdir

Ele alınan konulara genel bakış:

• Sıcaklığın bir fonksiyonu olarak özgül ısı kapasitesi
• Sık karşılaşılan maddelerin özgül ısı değerleri
• Diferansiyel tarama kalorimetrisi (DSC)
• Standartlar
• STARe yazılımı – Özgül ısı kapasitesinin belirlenmesi için 6 metot
• Ayarlama ve kalibrasyon
• İpuçları ve püf noktaları
• SSS

Bir maddenin özgül ısı kapasitesi sıcaklığın bir fonksiyonudur. Diyagramda gösterildiği gibi, safirin özgül ısı kapasitesi sıcaklıkla artar. Bu, birçok madde için normaldir. Su, yaklaşık 4 J/gK'lık sıra dışı yükseklikte bir özgül ısı kapasitesine sahiptir ve 35 C'lik minimum özgül ısı kapasitesi ile kuraldışı bir davranış sergiler.

Daha fazla bilgi edinmek için "DSC Yoluyla Özgül Isı Kapasitesi Tayini" konulu Webinarımızı izleyin:

Farklı maddeler ısıya farklı biçimlerde tepki verir. Gerçek dünyadan sık karşılaşılan bir örnek, doğrudan güneş ışığı altında bırakılan metal nesnelerin aynı koşullar altındaki eşit miktardaki suyla kıyaslanmasıdır. Metal çok hızlı biçimde ısınırken su ısınmaz. Diğer bir deyişle suyun ısı kapasitesi yüksektir.

Katılar ve sıvılar için değerler 0,1 ile 5 J/gK aralığındadır. Çoğu maddenin özgül ısısı, artan sıcaklıkla birlikte artar. Bu nedenle ölçüm genellikle oldukça geniş bir sıcaklık aralığında gerçekleştirilir. 25 C'deki bazı örnekler tabloda gösterilmiştir.

Özgül ısı kapasitesinin ayrıntılı bir açıklaması, "Uygulamalı Termal Analiz" el kitabında bulunabilir.

Diferansiyel tarama kalorimetrisi (DSC); birçok analitik, Kalite Kontrol ve Ar-Ge laboratuvarında kullanılan çok yönlü bir ölçüm tekniğidir. Bir örnek ısıtıldığında, soğutulduğunda veya izotermal olarak sabit bir sıcaklıkta tutulduğunda örnekte oluşan ısı akışını ölçmek için kullanılır.

DSC; sağladığı kullanım kolaylığı, kısa ölçüm süreleri ve elde edilebilen ±%2'lik doğruluk (kullanılan metoda bağlı olarak değişir, bir sonraki bölüme bakın) nedeniyle özgül ısı kapasitesinin tayini için popüler bir tercihtir.

Geleneksel DSC, normal olarak 700°C'ye kadar olan ölçümleri kapsar. Ancak METTLER TOLEDO TGA/DSC kullanılarak 700°C'nin üzerinde de harika sonuçlar elde edilebilir.

Buradaki polistiren örneğinde, ölçülen sıcaklık aralığındaki ısı akışı eğrisi, özgül ısı kapasitesiyle doğru orantılıdır.

Standartlar, yaygın olarak kabul edilen ve uygulanan bir karşılaştırma normu sağlamak amacıyla kullanılır. Bu, üretim ve test proseslerinin diğer prosedürlerle her zaman aynı tarzda karşılaştırılabilmesini sağlar. Test sonuçlarının güvenilirliğini sağlamanın etkili bir yöntemidir. Kullanılabilir oldukları durumlarda standartlar; kalite güvencesi, onaylama veya ruhsat verme aşamaları için gereken analizlerde metot doğrulamasının yerine geçebilir. Günümüzde termal analiz konusundaki standartlaşma; ISO, ASTM, DIN ve CEN gibi birçok ulusal ve uluslararası kuruluşça yürütülmektedir. DSC'de özgül ısı kapasitesi, ısı akışı eğrisinden hesaplanabilir. Sonuçlar; ISO 11357-1, ISO 11357-4, DIN 53765, DIN 51007-1 veya ASTM E1269 gibi standartlara göre değerlendirilir.

DSC ısı akışı eğrisinden özgül ısı kapasitesinin belirlenmesi için birkaç farklı metot kullanılabilir. METTLER TOLEDO'nun STAR^e yazılımı, aşağıdaki metotları destekler:

Doğrudan ve Safir adı verilen metotlar, geleneksel bir DSC aleti ile doğrusal bir sıcaklık programı kullanılarak gerçekleştirilir. Geleneksel DSC'de yalnızca tek bir ısı akışı sinyali mevcuttur (Toplam). Bununla birlikte, ısı kapasitesi iki bileşenden oluşur: Algılanabilir ısı kapasitesi (tersinir ısı akışı) ve gizli ısı kapasitesi (tersinmez ısı akışı):

c_p = c_{p, algılanabilir} + c_{p, gizli}

Gizli ısı kapasitesi; erime, kristalleşme veya kimyasal reaksiyonlar gibi fiziksel ve kimyasal geçişlerle ilgilidir. Bu tür termal olaylar DSC eğrisinde endotermik (ısı alan) veya ekzotermik (ısı veren) pik noktaları olarak gözlenir. Bunun sonucu olarak gizli ısı kapasitesi endotermik olaylar için pozitif, ekzotermik olaylar için negatiftir.

Algılanabilir ısı kapasitesi, moleküllerin yeniden düzenlenmesine ve genel hareketine bağlı olarak absorbe edilen ısı miktarına bağlıdır. Bu bileşen pozitiftir. Diyagramdaki DSC eğrisi, algılanabilir ısı kapasitesinin termal olaylar oluşmadığı sürece doğrudan ölçülen ısı akışıyla ilişkili olduğunu göstermektedir. Birçok geçiş noktasında, algılanabilir ısı kapasitesi ilgili pik noktasının tabanını tanımlar.

Sıcaklık modülasyonlu DSC (TMDSC), geleneksel DSC'den toplam ısı akışının tersinir ve tersinmez bileşenlerine ayrılmasına olanak tanımasıyla ayrılır. Bu ayrım; örneğin, camsı geçiş (tersinir ısı akışı bileşeni) ve entalpi gevşemesi (tersinmez ısı akışı bileşeni) gibi farklı termal etkilerin çakıştığı yerlerde, doğru özgül ısı verisi sağlanması açısından önemlidir.

Sıcaklık modülasyonlu DSC'de kullanılan sıcaklık programları, geleneksel DSC deneylerinde kullanılanlara kıyasla daha karmaşıktır. METTLER TOLEDO, sıcaklık modülasyonlu DSC ölçümlerinin gerçekleştirilmesi için üç farklı teknik sunar. Bu tekniklerin en önemli özellikleri aşağıda özetlenmektedir.

Özgül ısı sıcaklığın bir fonksiyonu olduğundan, kullanılabilir ölçüm aralığında sıcaklık kalibre (kontrol) edilmelidir. Gerekiyorsa ayarlamalar yapılmalıdır. DSC'de tekrarlanabilirliği engelleyen en önemli kaynaklar, sensör ve pota ile pota ve örnek arasındaki ısı transferleridir. Ortaya çıkan izotermal sapma, DIN 51007 standardında önerilen metot kullanılarak düzeltilebilir.

DSC, LGC (İngiltere), NIST (ABD) veya PTB (Almanya) gibi kuruluşlardan sertifikalı referans maddeler kullanılarak uygun şekilde ayarlandığında, doğru ısı kapasitesi verisi elde edilebilir. Doğrudan metot kullanılırsa ısı akışı istenilen sıcaklık aralığı ve potalar için uygun şekilde ayarlanmalıdır.

Termal analiz kalibrasyonun yanı sıra ısı akışı ve sıcaklığın ayarlanması konuları, METTLER TOLEDO'nun aşağıdaki kaynaklarında daha ayrıntılı olarak açıklanmaktadır:

İyi kalitede nicel ısı kapasitesi verisinin ölçülmesi DSC için zorlu bir görevdir. Bununla birlikte; DSC aletlerinin her yerde bulunabilmesi, örnek hazırlamanın kolaylığı, görece olarak kısa olan ölçüm süresi, sunduğu iyi derecede doğruluk ve ticari yazılımlardan yararlanılarak kolay değerlendirme yapılabilmesi nedeniyle yaygın kullanılan ve faydalı bir tekniktir.

İyi kalitede veri elde edilmesine ilişkin ipuçları ve püf noktaları şunları içerir:

• Ölçümden önce aleti sabitleyin.
• Aleti açtıktan sonraki ilk ölçümü asla kullanmayın.
• Yinelenen ölçümlerle tekrarlanabilirliği kontrol edin.
• Farklı ölçümlerin ortalamasının alınması doğruluğu artırır.
• Metottaki boş eğri çıkarma yöntemini kullanın (TOPEM hariç).
• Potaları sensörün üzerine doğru şekilde yerleştirin.
• Üç ölçümün tümü için aynı potaları kullanın. Bu mümkün değilse ASTM standardında önerildiği gibi yalnızca kütleleri arasındaki fark küçük olan (<10 µg) potaları kullanın.
• Aralarındaki fark daha büyük olan potalar için, pota kütle düzeltmesini kullanın.
• Tavsiye edilen: 40 µl pota; Organik materyaller için 10-20 mg'lık örnek kütlesi.
• Isıtma hızlarını 5-10 K/dk aralığında uygulayın.
• Örneği ölçümden sonra tartın. Önemli oranda kütle kaybı, c_p verinizin güvenilirliğini azaltır. Kütle kaybı, TGA/DSC'de otomatik olarak kaydedilir.
• Özellikle modüle edilmeyen metotlar için daha yüksek doğruluk amacıyla:
  • Daha büyük bir örnek kütlesi kullanın, C_p (örnek) » C_p (standart)
  • Örnek ile pota arasında termal temasın iyi olmasını sağlayın