Способ измерения удельной теплоемкости веществ и устройство для его осуществления Советский патент 1980 года по МПК G01N25/20 

1

Изобретение относится к области теплофиэического приборостроения и применяется для исследования температурной зависимости удельной теплоемкости веществ в диапазоне температур от -150 до , в том числе жидкостей до давлений 15 МПа.

Известны способы для измерения удельной теплоемкости веществ, работанлцих по адиабатическому методу непрерывного нагрева Щ .

В них адиабатическая оболочка со всех сторон окружает образец (стакан .с исследуемым веществом), и разогрев производится нагревателем, введенным внутрь образца. Измеряются скорость разогрева и мощ-. ность нагревателя. Он сравнительно легко реализуется для твердых материалов, но применение его для жидкостей связано с трудностью конструктивного выполнения адиабатической оболочки. Для заполнения ампулы жидкостью и передачи на жидкость высокого давления необходимы подводящие трубки, которые представляют собой сильные тепловые мосты. В связи с этим в способах измерения теплоемкости жидкостей стремятся включить проводимость подводящих

трубок в проводимость тепломера, а последнюю определить из градуировочных опытов.

Ближайшим техническим решением является способ измерения теплоемкости, в котором удельная теплоемкость измеряется путем монотонного разогрева ампулы с веществом и замера температурного перепада на тепло-, мере и скорости -разогрева ампулы. Тепловая связь ампулы с нагревателем осуществляется т олько через тепломер. Незакрытые тепломером участки поверхности ампулы отделены от среды адиабатической оболочкой 2.

Недостатком способа является относительно невысокая точность измерений, которая определяется погрешностью за счет нестабильности, тепломера. Способ является относительным, так как для градуировки тепломера необходимо образцовое вещество с известной теплоемкостью. Данный способ очень трудно применить к жидкостям из-за отсутствия образцовых жидкостей в широком диапазоне температур и давлений.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измере30ний.

Поставленная цель достигается тем, что к ампуле с веществом подводят измеряемый дополнительный тепловой поток, равный произведению скорости разогрева ампулы и полной теплоемкости ампулы с веществом, а также тем, что в устройстве на боковой цилиндрической поверхности ампулы размещается дополнительный нагреватель, находящийся в тепловом контакте с ампулой и выполненный, например в виде пяти последовательно соединенных сйгкций провода,армированных двухканальными керамическими . трубками, вмазанными в пазы боковой цилиндрической поверхности ампулы.

Монотонный режим нагрева реализуется обычно в устройствах, имеющих массивное, состоящее из ряда металлических деталей ядро, окруженное теплозащитной оболочкой. В установившемся режиме все детали ядра разогреваются с примерно одинаковой скоростью Ь. Со скоростью Ь разогревается и ампула с исследуемым веществом, на ее разогрев идет поток рав« Vw, „V

где С и С - полные теплоемкости тампулы и заполняюцего ее вещества.

Именно такой постоянный для всего опыта поток и подается в ё1мпулу дополнительным нагревателем. Тогда через тепломер будет протекать к ампуле или от нее лишь незначительная часть потока {1), определяемая неточностью задания величины теплоемкости вещества С. Учитывая, что объем ампулы постоянный, а объемные теплоемкости различных веществ Ср различаются в пределах i(20-30)%, то поток через тепломер не будет превышать 5-10 % от потока (1). Естественно, что при этом точность измерения теплоемкости будет в большой степени определяться точностью измерения электрической мощности в дополнительном нагревателе. Мощность измеряется по измеренным значениям тока и напряжения на потенциальных выводах нагревателя. Именно это обстоятельство определяет повышение точности всего способа. Расчетная формула получается из уравнения теплового баланса:

(ст+с11г . ,

-(

-

Кт У-т Wa

(2)

де С Л,

удельная теплоемкость вещества;

теплоемкость ампулы (включающая теплоемкость дополнительного нагревателя); масса вещества в ампуле;

m Ь К, скорость разогрева г1мпулы; постоянная тепломера;ь.

Wjj - мощность дополнительного

нагревателя) V - температурный перепад в

тепломере.

Удельная теплоемкость вещества рассчитывается по формуле (2).

В опыте измеряются величины V, Ь, а постоянные К и С, определяются градуировкой. При градуировке проводятся два опыта с пустой ампулой: первый опыт без дополнительного нагревателя, а второй с включенным дополнительным нагревателем.

.

Woi

т куда

К,

(3)

СWa

(И

--v.

Дополнительный нагреватель органически входит в устройство. Он смонтирован постоянно в ампуле и используется как в градуировочных, так

ив рабочих опытах. Его теплоемкость учитывается при градуировке как составляющая постоянной CQ,. Градуировочный опыт проводится при помощи дополнительного нагревателя, равной Q « b-Cg, при котором поток через

тепломер будет близок к нулю.

На чертеже изображено устройство для осуществления предложенного способа, где 1 - термопара; 2 - термопара 3 - нагревательный блок; 4 трубка для заливки жидкости/ 5 - основание, 6 - нагреватель адиабатической облочки; 7 - термопара, 8 адиабатическая оболочка, 9 - ампула для исследуемого вещества 10 - дополнительный нагреватель, 11 - термобaтapeя 12 - трубка для ампулы, 13 - основной нагреватель, 14 - теплозащитная оболочка.

Устройство состоит из массивного

металлического ядра и теплозащитной оболочки 14 Ядро состоит из герметичной ампулы 9-, в которую зашивается исследуемая жидкость, основания 5,. нагревательного блока 3

и ёшнабатической оболочки 8. Ампула 9 припаяна к основанию 5. Основной нагреватель 13, обеспечивающий разогрев ядра с примерно постоянной скоростью, расположен-в нагревательном блоке 3. Дополнительный нагреватель 10 монтируется в пазах на боковой цилиндрической поверхности ампулы. Трубки 4 и 12 используются для заливки жидкости и промывки ампулы после опыта. Термобатарея 11 служит

для измерения перепада температуры на тепломере. Две термопары 1 и 2 в ампуле используются для измерения скорости нагрева ампулы и регулирования температуры адиабатической

оболочки 8. На боковой поверхности

адиабатической оболочки размещается нагреватель 6, а внутри боковой стенки оболочки - термопара 7. Ампула выполнена из медноннкелевого сплава, обладающего высокой теплопроводностью и прочностью. Кроме того,она имеет семь соединенных между собой каналами секций для увеличения прочности при высоком давлении и обеспечения лучшего соотношения между полными теплоемкостями исследуемого вещества С и с1мпулы Са Чем выше это отношение,. тем меньше при прочих равных условиях погрешность измерения теплоемкости.

ДополнителБный нагреватель выполнен в виде пяти последовательно соединенных отрезков провода, армированных двухкансшьными керамическими трубками. Допускается и любое другое выполнение дополнительного нагревателя, важно лишь, чтобы между ампулой и нагревателем осу 1цвствлялся хороший тепловой контакт и можно было бы считать в целом температурное поле ампулы с жидкостью и нагревателем равномерным. Рабочим слоем тепломера является слой нержавеющей стгшн между горячими и холодными спаями шестиспайной термобатареи 11,

Работает устройство следующим образом. Через трубку 12 заполняют eiMпулу 9 исследуемой жидкостью до тех пор, пока она начнет выливаться из трубки 4, Трубку 4 закрывают,ачерез трубку 12 создают и поддарживсиот в ампуле необходимое давление. Затем охлгикдают ядро калориметра жидким азотом до и включсиот основной нагреватель 13. На дополнительном нагревателе устанавливгиот мощность в соответствии с выргикением (1 ) . По показаниям тепломера значение мощ кости можно подкорректировать и в дальнейшем не менять, В процессе разогрева на различных температурных уровнях проводят измерение перепада температуры на тепломере, скорости нагрева гилпулы и, используя значение мощности дополцительного нагревателя, по формуле (2) рассчитывают теплоемкость исследуемого вешества.

Преимуществом предложенного способа и устройства для измерения удельной теплоемкости веществ по сравнению с прототипом является возможность ;уменьшить погрешность на 2-3%, возникающую за счет нестабильности тепломера. Кроме того, появляется возможность градуировки устрой-, ства без образцового вещества, т. е, переход от относительных к абсолютным измерениям. Результатом является повшиенная точность измерений и широкий диапазон температур, который не ограничивается наличием образцовых жидкостей.

Предложенные .способ и устройсто могут найти применение при создании промышленных образцов теплофиэичес0ких приборов. Описанное устройство целиком пригодно для исследования твердых и дисперсных материалов, В этом случае необходимо открыть секции на верхнем торце ампулы для загрузки вещества и убрать трубки,

Формула изобретения

1,Способ измерения удельной теплоемкости веществ путем монотонного

0 разогрева ампулы с веществом и замера температурного перепада на тепломере и скорости разогрева ампулы, отличающийся тем, что,

с целью повьиения точности измерения,

5 к ампуле с веществом подводят измеряемый дополнительный тепловой поток, равный произведению скорости разогрева ампулы и полной теплоемкости ампулы с веществом.

0

2.Устройство для осуществления способа по п, 1, содержащее теплозащитную оболочку, нагревательный, блок, исследуемое вещество в ампуле

5 с двумя термопарами, окруженной сверху и с боков адиабатической оболочкой, и связанной нижним торцом через тепломер с нагревательным блоком, отличающееся тем,

0 что на боковой цилиндрической поверхности ампулы размещен дополнительный нагреватель, находящийся в тепловом контакте с ампулой и выполненный в виде последовательно соединенных секций, армированных двух5канальными ке{Уамическими трубками, вмазанными в пазы боковой цилиндрической поверхности ампулы.

Источники информгщии,

0 принятые во внимание при экспертизе

1,Кириллин В,А., Шейндлин А.Е. Исследование термодинамических свойств веществ. М., Госэнергоиздат, 1963, с. 336.

5

2, Платунов Е.С.Теплофизические измерения в монотонном режиме. М,-л,, Энергия, 1973, с,35-42,

10

в