Способ измерения теплоемкости вещества Советский патент 1980 года по МПК G01N25/18 

1

Изобретение относится к технике теплофизических измерений и может быть использовано при разработке и исспедованш новых материалов.

Известны способы измерения теплоемкости вещества, основанные на измерении теплосодержания образца, нагретого до определенной температуры р.. Теплосодержание определяется по величине повышения тетлпературы калоримет ра, в который иом пается образец. Значения теплоемкости могут быть получ& ны путем дифференцирования зависш юсти теплосодержания от температуры.

Известные способы малопригодны для изучения небольших тепловых эффектов, поскольку в этом случае резко возрастает погрешность измерения. Крем© того, при быстр л охлаждении от высоких температур до комнатной создается неопределенность в физическом состоянии образца, особенно в том случае, если в температурном интервале измерений имели место фазовые переходы.

. Из известных способов наиболее блиэким к предлагаемому 5шляется. спос.об измерения теплоемкости вешества путем подвода к нему теплового потока, измерения мощности этого потока и приращ&ния температуры исследуемого вещества 2

Недостатком известного способа является сложность проведения измерений из-за необходимости создания адиаоатических условий разогрева исследуемО1Ч5 образца. Крсяле того, с повышением температуры исследования резко возрастают теплопотери, что влечет за собой повышение погрешности измерения. По этой причине при высоких .температурах исследования (например, при Т 2000°К) известный способ нельзя считать удовлетворительным.

Целью изобретения является повыш&ние точности измерения и расширение температурного диапазона.

Для этотх) в исследуемом веществе изменяют мощность теплового потока на постоянную величину и измеряют соотве-гствующее этому изменению стационарное приращение температуры исследуемого вещества и время, релаксации приращения температуры, причем величину изменения мощности выбирают в пределах, обеспечивающт1х линейную связь между измер&нием мощности и соответствующим приращением температуры, а время изменен мощности устанавливают в 2СХ-1ОО раз меньше, чем время релаксации приращени температуры, после чего по известным формулам определяют теплоемкость веществр. На фиг. 1 изображена прин1щпиальная электрическая схема устройства, реализу ющего предлагаемый способ, на фиг. 2 график изменения мощности V теплового потока на AW и соответствующего этому процессу изменения приращения температуры utOtl) исследуемого вещест ва. Исследуемый образец 1 (например, провод с известным температурным коэффициентом сопротивления или заполненная измеряемым веществом тонкостенная трубка, явтгающаяся одновременн нагревателем и термометром сопротивления) включен в плечо моста постоянного тока, который уравновешивается с помощью переменного сопротивления 2. При {Замыкании ключа 3 исследуемый образец получает дополнительную мощность от источника переменного напряжения 4, которая повышает температуру образца на (например, на О,5-1,О ). В&личина дополнительной мощности выбирается такой, которая обеспечивает линейную связь между дополнительной мощностью U.W и соответствующим приращением температуры образца. Временная зависимость приращения температуры A.tCt) исследуемого образца регистри руется измерительным прибором 5 (например, самопишущим потенциометром). Ввиду небольших приращений температуры и согласно уравнению теппово го баланса tdt) будет описываться фор 1улой: CD ,LcU-er V), &t моцц; C2-) где ftg время релаксации, удельная теплоемкость и масса исследуя ого образца соответственно. Следует отметить, что при замыкании ключа 3 обеспечивается характерное время крутизны фронтац.дополнительной мощности W во много раз меньшее (например, в 20-100 раз), чем время релаксации (д эго означает, что мощность переключается ступенчато. Измеряя . ikW tg и по формуле (2) можно определить теплоемкость исследуемого вещества. Время релаксации можно измерить несколькими методами. Метод первый. По показаниям самопишущего потенциометра 5 определим f .. - время достижения приращением температуры At(t) величины, равной Or 5 г дакс-Тогда ,445Co,,j. Метод второй. Разомкнем ключ 3, а ,ключ 6 установим в положение I. С помощью переменного сопротивления 2уравновесим мост постоянного тока. Замкнул ключ 3, а ключ 6 перекинем в положение И, и переменным сопротивлением 7 выставим показания прибора 5 на ноль. Синхронно переключая ключи 3и 6 с постоянной частотой (причем при замкнутом ключе 3, ключ 6 находится в положении П), выставим показания прибора 5 на ноль переменной амкостью 8. Тогда -о-|; где С - величина емкости 8, 7 величины сопротивлений 7 и 9 соответственно. Аналогичным образом можно организовать измерение с помсчдью последовательно соединенных индуктивности и сопротивления. Предлагаемый способ позволяет повысить точность измерения теплоалкости веществб так как в этом случае внешние теплопотери не увеличивают погрешность, измерения. В известном способе величина внешних теплопотерь в процентном содержании от мощности теплового потока непосредственно добавляется к погрешности измерения. Если, например, для вольфрамсжой проволо .ки Диаметром 0,1 мм при Т 150О К AitC (теплоемкость О,16(;, , плотность 1 лЪ ) степенью черноты 0, при температуре нагрева 1°за 5 с разость температур между исследуемой проволокой и адиабатической оболочкой составляет всего 0,05 то погрешность измерения, обусповпейная теплопотерами, составляет 50%. Датшнейшее повышение температуры исследования увеличивает эту погрешность пропорционально Т, так при Т 2000°К эта погрешность составит 120%, что фактически приводит к нецелесообразности применения известного способа для и ерения теплоемкости вешества при этих темп&ратурах. В предлагаем(1 способе величина внешних таплопотерь не влияет на результаты измерения я указанная составляющая погрешности-отсутствует. Следовательно предлагаемый способ по сравнению с известным повышает точность измерения и расширяет температурный диапазон исследования. Формула изобретения Способ намерения теплоемкости вещества путем подвода к нему теплового потока нг лерения мощности этого потока и приращения температуры иссл&дуемого вещества, отличающийс я там, что, с целью повышенин точности и расширения температурного диапазона, изменяют мощность теплового потока на постоянную величину и измеряют соответствующее этому изменению стационарное приращение температуры исследуемого ветцестъа и время релаксации приращения температуры, причем величину изменения мощности выбирают в пределах, обеспечивающих линейную связь между изменении/ мощности и соответствук щим пpиpaщeниQvf температуры, а время изменения мсядности устанавливают в 2О-10О раз меньшее, чем время релаксации приращения температуры. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе. 1,Крафтмахер Я. А. Исследование при высоких температурах. - Новосибирск, 1966, с. 7. 2.Новиков И. И. и др. Теплофизические свойства твердых ветцеств. М Наука, 1976, с. 109-110 (прототип).

/3W

r

At

HOKf

Фиг.г