СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОЕМКОСТИ ПОЛИМЕРОВ ПРИ ПОСТОЯННОМ ДАВЛЕНИИ Российский патент 2002 года по МПК G01N25/20 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при производстве высокомолекулярных соединений, а также для прогнозирования изменения физических свойств полимеров при различных условиях эксплуатации.

Известны способы измерения удельной теплоемкости полимеров при постоянном давлении ( см. Кикоин А.К., Кикоин И.К. Молекулярная физика. - М.: Наука, 1976. - 480 с.). В калориметр помещают исследуемое вещество - образец с намотанным на нем электрическим нагревателем, являющимся в то же время термометром сопротивления, контактирующим с образцом. Образец помещают в оболочку, внутри которой может быть создан высокий вакуум. Не создавая вакуума внутри калориметра с образцом, его помещают в термостат и нагревают до той температуры, при которой должны быть проведены измерения. После этого пространство внутри калориметра откачивают, создавая вакуум и тем самым изолируют образец от термостата. Затем через нагреватель в течение определенного времени пропускают электрический ток, измеряя разность потенциалов на его концах и силу тока в нем. С помощью нагревателя-терморезистора измеряют вызванное действием нагревателя повышение температуры образца и рассчитывают удельную теплоемкость по формуле

где m - масса образца, ΔT - изменение его температуры, ΔQ - количество тепловой энергии, подведенной к образцу.

Известный способ имеет недостаток. Об изменении внутренней энергии образца судят по изменению сопротивлении нагревателя, являющегося термометром сопротивления.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ (см. Годовский Ю. К. Теплофизические методы исследования полимеров. - М.: Химия, 1976. - 216 с.), включающий в себя следующие операции. Исследуемый материал известной массы помещают в микрокалориметр, задают режим нагрева, измеряют количество тепловой энергии, подаваемой на образец, и разность температур образца до и после нагрева и по результатам измерений рассчитывают удельную теплоемкость при постоянном давлении по формуле (1).

Недостаток данного способа измерения теплоемкости заключается в том, что оценку изменения внутренней энергии образца производят с помощью термоэлектрических преобразователей, что сопряжено с потерей информации.

Задачей изобретения является повышение точности измерений.

Поставленная задача решается на основе термоэлектрофлуктуационных измерений. Образец помещают в конденсаторный первичный измерительный преобразователь, расположенный в микрокалориметре, измеряют средний квадрат напряжения электрических флуктуаций, диэлектрическую проницаемость и коэффициент диэлектрических потерь, обусловленные внутренним электромагнитным полем, для моментов времени нагрева t₁ и t₂, вычисляют удельную теплоемкость полимера при постоянном давлении по формуле

где Р - мощность нагрева; t₁, t₂ - моменты времени, для которых измеряют средние квадраты напряжения электрических флуктуаций диэлектрические проницаемости и коэффициенты диэлектрических потерь m - масса образца; ε₀ - электрическая постоянная, k_B - постоянная Больцмана; D - диаметр потенциального электрода, d - толщина образца; f - частота, Δf - полоса частот, в которой производят измерения
Сущность изобретения заключена в следующем. Поместим полимерный диэлектрик между обкладками конденсатора, образованного дисковыми электродами. Для области частот
hf <<k_BТ, (3)
где h=6,63•10^-34Дж•с - постоянная Планка;
k_B= 1,38•10^-23Дж/К - постоянная Больцмана; T - абсолютная температура, средний квадрат напряжения электрических флуктуаций на его зажимах будет равен (см. Высокомолекулярные соединения, сер. А, 1990, т. 32, 7, с. 1560-1563)

Диэлектрическая проницаемость и коэффициент диэлектрических потерь определенные без внешнего электрического поля (см. патент РФ по классу G 01 N 27/22, 1746281), отражают энергетическое состояние испытуемого образца полимера при температуре T₁. Если повысить температуру образца до T₂, то соответственно изменятся ε′ и ε″.
Поэтому

Фиксируя время нагрева t₁ и t₂ при известной мощности P нагрева образца с учетом (1), (4), (5) для удельной теплоемкости полимерного диэлектрика получаем выражение (2).

На чертеже представлена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ измерения удельной теплоемкости полимеров. Исследуемый образец помещают в конденсаторный первичный измерительный преобразователь 1, который представляет собой два дисковых электрода, помещенных в микрокалоримотр. Потенциальный электрод расположен в цилиндрическом экране, на который намотан проволочный нагреватель. Вся конструкция помещается во внешний экран и изолируется от него слоем асбеста. Тепловой режим нагрева задается блоком 2. Средний квадрат напряжения электрических флуктуаций на зажимах преобразователя 1 измеряется с помощью малошумящего усилителя 3 и селективного нановольтметра 4. Контроль температуры в микрокалориметре осуществляется с помощью блока 5.

Предлагаемый способ определения удельной теплоемкости полимеров при постоянном давлении позволяет существенно расширить экспериментальные возможности анализа полимерных материалов.

Изобретение относится к измерительной технике. Образец помещают в конденсаторный первичный измерительный преобразователь, расположенный в микрокалориметре, измеряют средний квадрат напряжения электрических флуктуаций, диэлектрическую проницаемость и коэффициент диэлектрических потерь, обусловленные внутренним электромагнитным полем, для двух моментов времени нагрева и вычисляют удельную теплоемкость полимера при постоянном давлении. Технический результат - повышение точности измерений. 1 ил.

Способ измерения удельной теплоемкости полимеров при постоянном давлении, заключающийся в том, что помещают исследуемый материал известной массы в микрокалориметр, задают режим нагрева, измеряют количество тепловой энергии, подаваемой на образец, определяют удельную теплоемкость по результатам измерений, отличающийся тем, что образец помещают в конденсаторный первичный измерительный преобразователь, расположенный в микрокалориметре, измеряют средний квадрат напряжения электрических флуктуаций, диэлектрическую проницаемость и коэффициент диэлектрических потерь, обусловленные внутренним электромагнитным полем, для моментов времени t₁ и t₂, вычисляют удельную теплоемкость полимера при постоянном давлении по формуле

где Р - мощность нагрева;
t₁, t₂ - моменты времени, для которых измеряют средние квадраты напряжения электрических флуктуаций
- диэлектрические проницаемости;
коэффициенты диэлектрических потерь;
m - масса образца;
ε₀ - электрическая постоянная;
k_В - постоянная Больцмана;
D - диаметр потенциального электрода;
d - толщина образца;
f - частота;
Δf - полоса частот, в которой производят измерения