Способ определения теплофизических свойств веществ в области фазовых переходов Российский патент 2024 года по МПК G01N25/02 G01N25/18 

Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано для определения свойств твердых веществ, жидкостей и газов при фазовых переходах (ФП), а именно для определения объемной теплоты фазового перехода и температуры фазового перехода для чистых веществ. На практике изобретение может быть использовано, например, для определения теплоты фазовых переходов при создании аккумуляторов тепла и холода.

Известен способ - дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК-анализ) предназначенный для исследования различных физико-химических процессов, сопровождающихся выделением или поглощением теплоты. Основной принцип, лежащий в основе этого способа, заключается в том, что, когда образец претерпевает физическое преобразование, такое как фазовые переходы, к нему должно поступать больше или меньше тепла, по сравнению с эталонным образцом, для поддержания обоих образцов при одной и той же температуре в зависимости от того, является ли исследуемый процесс экзотермическим или эндотермическим. Например, когда происходит процесс плавления твердого образца, для того чтобы повышать его температуру с той же скоростью, что и у эталона, образцу потребуется передать больше тепла. Это связано с поглощением тепла образцом, поскольку он претерпевает эндотермический фазовый переход из твердого состояния в жидкое. С другой стороны, если образец подвергается экзотермическим процессам (таким как кристаллизация), для повышения температуры образца требуется меньше тепла, чем для эталона. Наблюдая разницу в тепловом потоке между образцом и эталоном, дифференциальные сканирующие калориметры способны измерять количество тепла, поглощенного или выделенного во время таких переходов. Технический результат заключается в возможности измерять теплоты единицы объема вещества (далее объемной теплоты) при фазовых переходах с неопределенностью до 5% и температуру фазовых переходов для чистых веществ с неопределенностью +5÷15 К в зависимости от скорости сканирования., см. Руководство пользователя дифференциальным сканирующим калориметром ДСК-500, Мощенский Р.В., Федотов С.В., 2021 г., Самарский государственный технический университет, 67 с.

При изучении тонких физических изменений, например, перекристаллизация при переходах твердое вещество/твердое вещество из-за большой инерционности и низкой чувствительности ДСК-анализ не всегда может зафиксировать наличие такого перехода. ДСК анализ имеет большую неопределенность при измерении объемной теплоты фазовых переходов, а также температуры фазового перехода чистого вещества.

Известен также способ определения удельного теплового эффекта фазового превращения (RU 2655458, G01N 25/02, 2018.05.28). Способ включает регистрацию кривых охлаждения, охлаждение до комнатных температур и определение их фазового состава, при этом используют температурно-однородный образец, который охлаждают однородным по температуре и скорости перемещения теплоносителем, в охлажденном образце определяют объемную долю искомой фазы, выбирают для анализа кривую охлаждения, реализация которой обеспечивает получение требуемой доли этой фазы, и по величине отклонения кривой охлаждения от экспоненциальной кривой судят о величине удельного теплового эффекта фазового превращения.

Недостатком известного способа является его относительная сложность и высокая неопределенность при определении теплоты фазового превращения, обусловленные использованием эмпирических зависимостей справедливых только для стальных образцов. Известный способ используя для исследования крупные образцы (100×27×3,4 мм) обладает большой инерционностью и низкой чувствительностью, что ведет к высокой неопределенности измерения температуры фазового перехода.

Известен способ терморентгенография, основанный на исследовании структуры веществ при изменении их температуры, которую проецируют при помощи рентгеновских лучей на специальную пленку, бумагу или цифровую матрицу с последующим изучением изображения. Терморентгенография позволяет исследовать термические деформации и фазовые превращения веществ при изменении температуры в различных средах, изучать симметрию и структуру фаз при температуре, отличной от комнатной. Технический результат заключается в возможности установить неизвестные ранее формы фазового состояния веществ, а также с малой неопределенностью (±0,05 К) фиксировать температуры фазовых переходов чистых веществ., см. Е.Н. Котельникова, С.К. Филатов. Кристаллохимия парафинов. Методы исследования, результаты, поведение в природе. // Санкт-Петербург.Журнал Нева. 2002. 352 с. ISBN:5-87516-238-4.

Известный способ не позволяет определять объемные теплоты фазовых переходов.

Известен способ измерения температуры веществ при фазовых переходах (RU 2300097, G01N 25/02, опуб. 27.05.2007). Способ предусматривает использование датчиков температуры с преобразованием электрического сигнала, идентификацию фазового перехода, при этом электрический сигнал датчика температуры корректируют на величину электрического сигнала, генерируемого фазовым переходом вещества, причем корректирующий электрический сигнал получают с помощью дополнительного зонда.

Известный способ не позволяет определять объемные теплоты фазовых переходов.

В качестве прототипа выбран способ определения фазового перехода и его теплоты в заданном интервале температур, заключающийся в калориметрическом измерении теплосодержания при изменении температуры (SU 670866, G01N 25/02, 1979 г.). При этом измеряют теплоту, идущую на повышение температуры для всего исследуемого интервала, затем повышают температуру образца на заранее известную долю от исследуемого интервала и измеряют соответствующую теплоту, а о наличии фазового перехода и его величине судят по соотношению, связывающему теплоту фазового перехода, теплоту, идущую на разогрев образца во всем интервале температур и, теплоту, идущую на повышение температуры на заранее известную долю от исследуемого интервала.

Недостатком известного способа является его относительная сложность и высокая неопределенность, обусловленные необходимостью измерения во время эксперимента нескольких параметров. Известный способ, как и все калориметрические методы, в том числе ДСК - анализ, из-за большой инерционности и низкой чувствительности имеет высокую неопределенность измерения температуры фазового перехода.

Технической проблемой является разработка способа, позволяющего определять тепло физические свойства веществ в области фазовых переходов, а именно объемную теплоту фазового перехода и температуру фазового перехода чистого вещества за одно измерение (эксперимент).

Техническая проблема решается способом определения теплофизических свойств веществ в области фазовых переходов включающим стадии, на которых исследуемое вещество помещают в емкость с нагревательным элементом в виде металлической проволоки, при этом сама емкость погружена в термостатирующую жидкость термостата с температурой близкой к температуре начала фазового перехода исследуемого вещества, в зависимости от исследуемого фазового перехода начинают нагревать или охлаждать термостатирующую жидкость термостата с постоянной скоростью, при этом на концы металлической проволоки периодически подают импульсы постоянного тока с таким интервалом между ними, чтобы до подачи следующего импульса теплота от предыдущего полностью рассеялась в окружающей среде, перед каждым импульсом измеряют температуру Т₀ нагревательного элемента, одновременно служащего термометром сопротивления, и температуру термостатирующей жидкости T_T и определяют разность между Т₀ и температурой термостатирующей жидкости ΔТ_Ф=Т₀ - Т_Т, во время каждого импульса через равные промежутки времени измеряют напряжение U на концах металлической проволоки и силу тока I и рассчитывают плотность теплового потока с поверхности нагревательного элемента где L - длина проволоки, для каждого импульса нагрева рассчитывают значения приращения температуры проволоки ΔТ к Т₀ за время т с начала импульса и строят график зависимости , по которому рассчитывают коэффициент теплопроводности по формуле где ϕ - угол наклона прямолинейного участка полученного графика, затем строят термограмму где τ* - текущее время прохождения фазового перехода, из термограммы вычисляют интеграл и определяют величину объемной теплоты фазового перехода г' по зависимостигде λ_ср - среднее значение коэффициента теплопроводности, вычисленное как среднее арифметическое из значений λ для каждого импульса в период прохождения фазового перехода, F площадь поверхности одного метра длины нагревательного элемента, а температуру фазового перехода чистого вещества определяют из графика зависимости λ от Т₀, температура, при которой λ перестает зависеть от Т₀ и все значения λ располагаются на прямой параллельной оси λ, соответствует температуре фазового перехода чистого вещества.

Решение технической проблемы позволяет определять объемную теплоту фазового перехода, температуру фазового перехода чистого вещества, а также коэффициент теплопроводности за одно измерение с высокой точностью.

Изобретение иллюстрируется следующими фигурами, где на фиг. 1 показана мостовая схема для определения теплофизических свойств веществ; на фиг. 2 показан график изменения температуры нагревательного элемента во времени и выделение линейного участка на термограмме;

на фиг. 3 показан график зависимости коэффициента теплопроводности от температуры в области фазовых переходов н-тетракозана;

на фиг. 4 показан график зависимости разности между начальной температурой нагревательного элемента и температурой термостатирующей жидкости от текущего времени прохождения фазового перехода н-тетракозана;

на фиг. 5 показан график зависимости начальной температуры нагревательного элемента от текущего времени прохождения фазового перехода для парафина при плавлении и кристаллизации и н-тетракозана при плавлении.

Для подтверждения возможности определения объемной теплоты фазового перехода и температуры фазового перехода по изобретению были проведены эксперименты, реализующие заявленный способ.

Для осуществления способа использовали известную мостовую схему для определения свойств жидкости и газа, описанную, например, в авторском свидетельстве СССР SU 1157428. Мостовая схема включает (фиг. 1) многофункциональный адаптер сбора данных с программируемым коэффициентом усиления совмещенный с компьютером 1, источник питания 2, ключ 3, измерительный мост, в одно плечо которого включен нагревательный элемент Ri, в три других - переменные сопротивления (R₁, R₂, R₃), одна диагональ которого параллельно подключена к последовательно соединенным источнику питания 2 и ключу 3, а вторая диагональ параллельно подключена к многофункциональному адаптеру сбора данных с программируемым коэффициентом усиления совмещенный с компьютером 1 и при этом нагревательный элемент Ri расположен внутри емкости, в которой находится исследуемое вещество.

Нагревательным элементом служит платиновая проволока диаметром сечения 5 мкм и длиной 33±0,05 мм. Два конца проволоки припаяны золотом к платиновым токовводам диаметром 1 мм. Токовводы зафиксированы к стенке емкости. Платиновая проволока одновременно служит термометром сопротивления. Поэтому нагревательный элемент предварительно тарируют по температуре с использованием образцового платинового термометра сопротивления ПТС-10 с неопределенностью по температуре 0,02%.

Определение объемной теплоты фазовых переходов и температуры фазовых переходов заявленным способом показано на примере н-тетракозана (С₂₄Н₅₀) марки Ч, имеющего чистоту не менее 99%. Для н-тетракозана определяют объемные теплоты и температуры переходов твердое состояние/твердое состояние (триклинно-ромбическое превращение и ромбическо-гексагональное превращение) и перехода твердое состояние/жидкость.

Образец н-тетракозана сначала расплавляют, затем выливают в емкость с нагревательным элементом Ri (фиг. 1). При заливке контролируют получение твердого оптически прозрачного н-тетракозана без воздушных прослоек. Емкость с нагревательным элементом помещают в термостат с термостатирующей жидкостью ПМС-200. Приводят температуру термостатирующей жидкости термостата на 2÷3 градуса ниже температуры первого перехода - триклинно-ромбического превращения. Включают нагрев термостата. Задают темп нагрева термостата в пределах 0,05÷0,1 К/мин.

На мостовую схему (фиг. 1) от источника питания подают импульсы постоянного тока длительностью 0,1÷0,2 секунды при этом перегрев нагревательного элемента не превышает 0,25 К. Интервал между импульсами составляет 2÷3 минуты, так чтобы до подачи следующего импульса нагрева теплота от предыдущего импульса полностью рассеялась в окружающей среде. Перед каждым импульсом измеряют температуру Т₀ нагревательного элемента и температуру термостатирующей жидкости T_T.

За время каждого импульса с помощью многофункционального адаптера сбора данных с программируемым коэффициентом усиления, совмещенного с компьютером, через равные промежутки времени проводят измерение 224 значений напряжения U на концах платиновой проволоки и силы тока I. Когда электрический ток проходит по нагревательному элементу Ri, из-за Джоулева тепла поднимается температура проволоки. Скорость нагрева проволоки главным образом зависит от коэффициента теплопроводности X исследуемого вещества, контактирующего с проволокой. В результате повышения температуры растет электрическое сопротивление платиновой проволоки и перепад напряжения на концах проволоки. Неопределенность измерения U и I составляет ±6⋅10^-7 В и ±3⋅10^-6 А соответственно. Рассчитывают плотность теплового потока с поверхности нагревательного элемента где L - длина проволоки. Величину L измеряют при 20°С катетометром с неопределенностью ±1,1 ⋅ 10^-5 м.

Затем для каждого импульса нагрева с помощью компьютера, совмещенного с многофункциональным адаптером сбора данных с программируемым коэффициентом усиления, рассчитывают значения приращения температуры проволоки ΔТ к Т₀ за время τ с начала импульса. Строят график зависимости (фиг. 2) и рассчитывают коэффициент теплопроводности по формуле

где ϕ - угол наклона прямолинейного участка полученного графика с осью In τ. Текущее время импульса т с неопределенностью ±4⋅10^-6 с измеряют с помощью кварцевого генератора компьютера, связанного с многофункциональным адаптером сбора данных с программируемым коэффициентом усиления.

Уравнение (1) справедливо для модели линейного источника тепла бесконечной длины. Хотя реальный источник тепла нагревательный элемент практически соответствует такой модели, так как отношение длины проволоки к ее диаметру составляет более 8000, однако вносят некоторые поправки. Так, вводят следующие поправки, учитывающие отклонение от идеальности: на влияние тепловой инерционности проволоки, на тепловое излучение с поверхности проволоки, на изменение длины проволоки в результате теплового расширения, на утечку тепла с концов проволоки. Поправки вводят по зависимостям, приведенным в книге (Горшков Ю.А., Уманский А.С. Измерение теплопроводности газов. М.: Энергоиздат.1982.). Сумма всех вводимых поправок не превышает 2%.

Затем строят график зависимости λ=f(T₀) (фиг. 3), по которому определяют среднее значение коэффициента теплопроводности λ_ср, вычисленное как среднее арифметическое из значений λ за время прохождения фазового перехода, и температуру фазового перехода.

Так λ_ср для перехода твердое состояние/твердое состояние (триклинно-ромбическое превращение Тс-Оr) вычислено как среднее арифметическое из значений λ по двум точкам на вертикальной штриховой линии (см. фиг. 3). Среднее значение коэффициента теплопроводности для перехода (Тс-Оr) н-тетракозана составило 0,385 Вт/(м⋅К). Аналогично, для перехода твердое состояние/твердое состояние ромбическо-гексатональное превращение (Оr-Н) среднее значение коэффициента теплопроводности вычислено как среднее арифметическое из значений λ по двум точкам на вертикальной штрихпунктирной линии (см. фиг. 3) и составило 0,36 Вт/(м⋅К). Для перехода твердое состояние/жидкость н-тетракозана среднее значение коэффициента теплопроводности вычислено как среднее арифметическое из значений λ по тридцати трем точкам на вертикальной сплошной линии. Среднее значение коэффициента теплопроводности перехода твердое состояние/жидкость н-тетракозана составило 0,2316 Вт/(м⋅К). Неопределенность измеренных значений средних значений коэффициента теплопроводности при фазовых переходах вещества заявленным способом составляет 1%.

На примере перехода твердое состояние/жидкость н-тетракозана можно объяснить расположение значений λ на одной вертикальной линии (сплошная линия на фиг. 3) тем, что λ постепенно уменьшается от λ в твердом состоянии (0,294 Вт/(м⋅К) верхняя точка на сплошной линии до λ в жидком состоянии (0,16 Вт/(м⋅К) нижняя точка на сплошной линии по мере уменьшения доли твердой фазы контактирующей с поверхностью нагревательного элемента и увеличения доли жидкой фазы. У чистого (без примесей) вещества фазовые переходы (например, плавление) проходят при постоянной температуре.

Как видно из фиг. 3 λ н-тетракозана в жидком состоянии в пределах неопределенности измерений λ заявленным способом 1% хорошо совпадают с литературными данными (см. Габитов Ф.Р. Докторская диссертация. Казанский государственный технологический университет.2000. 309 с.) которые в свою очередь согласуются со справочными данными (см. Natan В. Vargaftik, Lev P. Filippov, Amin A. Tarzimanov, Evgenii E. Totskii. // Handbook of Thermal Conductivity of Liquids and Gases. 1994. CRC Press. London and Tokyo).

Температуру фазового перехода чистого вещества определяют из графика зависимости λ от Т₀ (см. фиг. 3), когда λ перестает зависеть от Т₀. При этом значения λ на графике располагаются на прямой параллельной оси λ, а температура этой прямой и есть температура фазового перехода, например, см. сплошную вертикальную линию T_m. Малый диаметр платиновой проволоки (5 мкм) нагревательного элемента и короткие по времени импульсы нагрева обеспечивают расплавление тончайщего (0,1÷0,2 мм) слоя н-тетракозана, прилегающего к проволоке, что дает низкую инерционность и малую неопределенность измерений по сравнению с ДСК-анализом, где нужно расплавлять навеску объемом до 300÷1000 мм³ вещества. Объем исследуемого вещества, участвующий при измерениях в заявленном способе, не превышает 0,3-Н мм³. Неопределенность изменения температуры фазового перехода чистого вещества заявленным способом составляет ±0,0 5 К.

Результаты определения температуры фазовых переходов твердое состояние/твердое состояние (триклинно-ромбическое превращение и ромбическо-гексатональное превращение) и перехода твердое состояние/жидкость н-тетракозана приведены в таблице 1. В таблице 1 так же приведено сравнение температур переходов заявленным способом с ДСК - анализом и терморентгенографическим методом., см. Е.Н. Котельникова, С.К. Филатов. Кристаллохимия парафинов. Методы исследования, результаты, поведение в природе. // Санкт-Петербург. Журнал Нева. 2002. 352 с. ISBN:5-87516-238-4.

Определение объемной теплоты фазового перехода.

Вычисляют разность между температурой нагревательного элемента (до подачи импульса постоянного тока) Т₀ и температурой термостатирующей жидкости в термостате T_T

С помощью многофункционального адаптера сбора данных с программируемым коэффициентом усиления, совмещенным с компьютером, строят термограмму (фиг. 4)

где τ* - текущее время прохождения фазового перехода, измеренное с помощью кварцевого генератора компьютера с неопределенностью ±4⋅10^-6 с_.

Из термограммы вычисляют интеграл

и определяют величину объемной теплоты фазового перехода r' из зависимости

где λ_ср среднее значение λ вычисленное как среднее арифметическое из значений λ за время прохождения фазового перехода, F площадь поверхности одного метра длины проволоки (составила 157⋅10^-7 м²). При определении F измерение диаметра платиновой проволоки проводили измерительным микроскопом с неопределенностью ±10^-7 м.

Процедура расчета и полученные значения объемной теплоты фазовых переходов н-тетракозана твердое состояние/твердое состояние (триклинно-ромбическое превращение и ромбическо-гексагональное превращение) и перехода твердое состояние/жидкость приведены в таблице 2.

В этой же таблице для сравнения приведены значения объемной теплоты этих фазовых переходов н-тетракозана, измеренные методом ДСК-анализа. Около значений объемной теплоты фазовых переходов приведены величины неопределенности измерений. ДСК-анализ не позволил зафиксировать отдельно два перехода твердое состояние/твердое состояние (триклинно-ромбическое превращение (Тс-Оr) и ромбическо-гексагональное превращение (Оr-Н)), что связано с высокой инерционностью и низкой чувствительностью этого метода. Поэтому в таблице 1 приведена суммарная величина объемных теплот по этим переходам (Тс-Оr) и (Оr-Н). Как видно, из таблицы суммарные значения этих объемных теплот по всем переходам измеренных заявленным способом и измеренные методом ДСК-анализа в пределах суммарной неопределенности этих измерений совпадают.

Неопределенность измеренных значений объемной теплоты фазовых переходов вещества заявленным способом составляет 2,7%.

Предложенный способ может применяться для определения теплофизических характеристик не только чистых веществ, но и смесей.

Заявленным способом определены коэффициент теплопроводности и объемная теплота фазового перехода парафина. Измерения в парафине проводились как при плавлении, так и при кристаллизации. При кристаллизации термостатирующую жидкость термостата охлаждают с температуры на 2÷3 градуса выше температуры начала фазового перехода. Природный нефтяной парафин C_nH_2n+2 представляет собой смесь н-алканов от С₁₉Н₄₀ (н-нонадекан) до С₃₅Н₇₂ (пентатриоконтан). По данным проведенного хроматографического исследования, максимум распределения соответствует гомологу с n=4 (н-тетракозан) (15%), содержание гомологов с n=26÷28 не превышает 12÷13%, а содержание гомологов с n≤22 и n≥30 не превышает 5%. Среднее значение коэффициента теплопроводности парафина, вычисленное по измеренным заявленным способом значениям Л, как при плавлении, так и при кристаллизации составило 0,256 Вт/(м⋅К). Значение объемной теплоты исследованного состава парафина при плавлении определено как - 306,1⋅10⁶ Дж/м³, а при кристаллизации это значение равно 313,3⋅10⁶ Дж/м³. Если сравнивать определенные заявленным способом значения r' при плавлении и кристаллизации, разница в абсолютных величинах составит 2,3%, что укладывается в неопределенность измерения этой величины 2,7%.

На фиг. 5 показано сравнение изменения начальной температуры нагревательного элемента, погруженного в парафин и н-тетракозан при фазовых переходах. Об преобладании в смеси (парафине) н-тетракозана по сравнению с другими гомологами можно видеть на фиг. 5 по выстраиванию некоторых экспериментальных точек парафина на вертикальной сплошной линии (Т_m), характерной для н-тетракозана по переходу гексагонально кристаллическое в жидкое. Как видно на фиг. 5, в случае исследования в чистом веществе н-тетракозане при фазовых переходах происходит скачкообразное изменение температуры. В результате чего у чистых веществ можно фиксировать температуры фазовых переходов. В случае со смесью - парафином имеет место плавное изменение температуры при фазовых переходах, так как происходит последовательный переход компонентов парафина из твердого состояния в жидкое при плавлении и наоборот из жидкого в твердое при кристаллизации. Из фиг. 5 определяют температуру начала и конца фазового перехода для смесей. Для исследованного в опытах состава парафина при плавлении начало перехода фиксируется при температуре 309,98 К, а конец - 368 К. В случае кристаллизации парафина экспериментальные значения температуры начала перехода составляют 368 К, а конца - 310,03 К. В пределах неопределенности ±0,05К температуры переходов твердое вещество/жидкость и жидкость/твердое вещество совпадают, как при плавлении, так и при кристаллизации.

Таким образом заявленный способ позволяет определять в одном эксперименте объемную теплоту фазового перехода, коэффициент теплопроводности λ и температуру фазового перехода чистого вещества с высокой точностью. Неопределенность измерения объемной теплоты фазового перехода снизилась почти в 2 раза по сравнению с калориметрическими методами, в том числе с ДСК-анализом, неопределенность измерения температуры фазового перехода чистого вещества снизилась на два порядка с +5÷15 К до ±0,05 К.

Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано для определения свойств твердых веществ, жидкостей и газов при фазовых переходах. Предложен способ определения теплофизических свойств веществ в области фазовых переходов, включающий стадии, на которых помещают исследуемое вещество в емкость с нагревательным элементом в виде металлической проволоки, при этом сама емкость погружена в термостатирующую жидкость термостата с температурой, близкой к температуре начала фазового перехода исследуемого вещества, в зависимости от исследуемого фазового перехода начинают нагревать или охлаждать термостатирующую жидкость термостата с постоянной скоростью. При этом на концы металлической проволоки периодически подают импульсы постоянного тока с таким интервалом между ними, чтобы до подачи следующего импульса теплота от предыдущего полностью рассеялась в окружающей среде, перед каждым импульсом измеряют температуру T₀ нагревательного элемента, одновременно служащего термометром сопротивления, и температуру термостатирующей жидкости Т_Т и определяют разность между T₀ и температурой термостатирующей жидкости Т_{Ф =} T₀ - Т_Т. Во время каждого импульса через равные промежутки времени измеряют напряжение U на концах металлической проволоки и силу тока I и рассчитывают плотность теплового потока с поверхности нагревательного элемента q_L = (I U/L), где L - длина проволоки. Для каждого импульса нагрева рассчитывают значения приращения температуры проволоки ΔТ к T₀ за время τ с начала импульса и строят график зависимости ΔТ = f (lnτ ), которому рассчитывают коэффициент теплопроводности по формуле λ = q_L / (4π tgϕ), где ϕ – угол наклона прямолинейного участка полученного графика, затем строят термограмму ΔТ_{Ф =} f (τ*), где τ* - текущее время прохождения фазового перехода. Из термограммы Т_{Ф =} f (τ*) вычисляют интеграл ∫ ΔТ_Ф d τ* и определяют величину объемной теплоты фазового перехода r` по зависимости r` = (λ_ср ∫ ΔТ_Ф d τ*) , где λ_ср – среднее значение коэффициента теплопроводности, вычисленное как среднее арифметическое из значений λ для каждого импульса в период прохождения фазового перехода, F – площадь поверхности одного метра длины нагревательного элемента. Температуру фазового перехода чистого вещества определяют из графика зависимости λ от T₀, температура, при которой λ перестает зависеть от T₀ и все значения λ располагаются на прямой, параллельной оси λ, соответствует температуре фазового перехода чистого вещества. Технический результат - изобретение позволяет определять объемную теплоту фазового перехода, температуру фазового перехода чистого вещества, а также коэффициент теплопроводности за одно измерение с высокой точностью. 5 ил., 2 табл.

Способ определения теплофизических свойств веществ в области фазовых переходов, включающий стадии, на которых помещают исследуемое вещество в емкость с нагревательным элементом в виде металлической проволоки, при этом сама емкость погружена в термостатирующую жидкость термостата с температурой, близкой к температуре начала фазового перехода исследуемого вещества, в зависимости от исследуемого фазового перехода начинают нагревать или охлаждать термостатирующую жидкость термостата с постоянной скоростью, при этом на концы металлической проволоки периодически подают импульсы постоянного тока с таким интервалом между ними, чтобы до подачи следующего импульса теплота от предыдущего полностью рассеялась в окружающей среде, перед каждым импульсом измеряют температуру T₀ нагревательного элемента, одновременно служащего термометром сопротивления, и температуру термостатирующей жидкости Т_Т и определяют разность между T₀ и температурой термостатирующей жидкости ΔТ_{Ф =} T₀ - Т_Т, во время каждого импульса через равные промежутки времени измеряют напряжение U на концах металлической проволоки и силу тока I и рассчитывают плотность теплового потока с поверхности нагревательного элемента q_L = (I U/L), где L - длина проволоки, для каждого импульса нагрева рассчитывают значения приращения температуры проволоки ΔТ к T₀ за время τ с начала импульса и строят график зависимости ΔТ = f (lnτ ), которому рассчитывают коэффициент теплопроводности по формуле λ = q_L / (4π tgϕ), где ϕ – угол наклона прямолинейного участка полученного графика, затем строят термограмму ΔТ_{Ф =} f (τ*), где τ* - текущее время прохождения фазового перехода, из термограммы ΔТ_{Ф =} f (τ*) вычисляют интеграл ∫ ΔТ_Ф d τ* и определяют величину объемной теплоты фазового перехода r` по зависимости r` = (λ_ср ∫ ΔТ_Ф d τ*), где λ_ср – среднее значение коэффициента теплопроводности, вычисленное как среднее арифметическое из значений λ для каждого импульса в период прохождения фазового перехода, F – площадь поверхности одного метра длины нагревательного элемента, а температуру фазового перехода чистого вещества определяют из графика зависимости λ от T₀, температура, при которой λ перестает зависеть от T₀ и все значения λ располагаются на прямой, параллельной оси λ, соответствует температуре фазового перехода чистого вещества.