比熱容是物質(zhì)的重要熱物理性質(zhì),定義為單位質(zhì)量(或單位摩爾)的物質(zhì)升高(或降低)單位溫度所吸收(或放出)的熱量,單位通常表示為焦耳每千克開(kāi)爾文(J/kg·K),其數(shù)值與物質(zhì)的種類(lèi)、物態(tài)、溫度及壓強(qiáng)等因素相關(guān)。準(zhǔn)確測(cè)量物質(zhì)的比熱容,在材料科學(xué)、能源工程、航空航天、化工等多個(gè)領(lǐng)域具有重要意義。
比熱容測(cè)試方法有很多種,常用測(cè)試方法主要是差式掃描量熱法(DSC)和激光閃射法(LFA)。這類(lèi)方法適配絕大多數(shù)固體、液體材料,儀器成熟,精度可控,是科研/工業(yè)檢測(cè)首選。
差示掃描量熱法
DSC 是比熱容測(cè)試的首選方法,分相對(duì)法(標(biāo)準(zhǔn)法)和絕對(duì)法,其中相對(duì)法最常用,熱分析領(lǐng)域儀器(如 LINSEIS 系列 DSC、STA)均支持該測(cè)試。
通過(guò)測(cè)量樣品與參比物的熱流差,結(jié)合升溫/降溫速率,計(jì)算單位質(zhì)量樣品的吸放熱速率,進(jìn)而得到比熱容。
相對(duì)法:用已知比熱容的標(biāo)準(zhǔn)樣品(如藍(lán)寶石、α-Al?O?,比熱容數(shù)據(jù)為國(guó)際公認(rèn)),在相同測(cè)試條件下,對(duì)比樣品與標(biāo)準(zhǔn)樣品的熱流響應(yīng),換算樣品比熱容。
絕對(duì)法:無(wú)需標(biāo)準(zhǔn)樣,直接通過(guò)儀器熱功當(dāng)量、熱流校準(zhǔn)計(jì)算,精度更高但操作復(fù)雜,對(duì)儀器穩(wěn)定性要求極高。
儀器校準(zhǔn):先進(jìn)行儀器基線(xiàn)校準(zhǔn)(空坩堝,消除坩堝熱效應(yīng))、溫度校準(zhǔn)、熱流校準(zhǔn);
測(cè)標(biāo)準(zhǔn)樣品:稱(chēng)取一定質(zhì)量藍(lán)寶石(5~20mg,與樣品質(zhì)量接近),放入坩堝,設(shè)定升溫速率(5~20K/min)、測(cè)試溫區(qū),完成測(cè)試,記錄熱流曲線(xiàn);
測(cè)樣品:同坩堝、同升溫速率、同溫區(qū),測(cè)試待測(cè)樣品,記錄熱流曲線(xiàn);
計(jì)算:按以下公式進(jìn)行換算
(式中Cp為比熱容,m為質(zhì)量,ΔH為熱流積分值)。
樣品要求:粉末、塊狀、薄膜均可,需干燥無(wú)揮發(fā)(避免失重干擾熱流),質(zhì)量5~20mg 最佳(質(zhì)量太小誤差大,太大傳熱不均);
溫區(qū)范圍:-150℃~1500℃(常規(guī)DSC),高溫可達(dá) 2000℃(高溫DSC),適配絕大多數(shù)無(wú)機(jī)、有機(jī)材料;
精度:常規(guī)±2%~±5%,精準(zhǔn)測(cè)試可達(dá) ±1%;
優(yōu)勢(shì):樣品用量少、可同步測(cè)相變(如熔融、結(jié)晶)與比熱容,適配科研和批量檢測(cè)。
激光閃射法
激光閃射法的核心是測(cè)量熱擴(kuò)散系數(shù),但也可同步計(jì)算出比熱容,是高溫固體材料(如陶瓷、金屬、復(fù)合材料)的優(yōu)選,LINSEIS 激光導(dǎo)熱儀(LFA 系列)就是典型設(shè)備,適配材料研發(fā)和性能表征。
激光脈沖瞬間加熱樣品下表面,上表面溫度隨時(shí)間升高,記錄溫升曲線(xiàn),獲取熱擴(kuò)散系數(shù)α;
提前用密度儀測(cè)試樣品密度ρ;
? 使用已知比熱的標(biāo)樣,通過(guò)比較法計(jì)算材料比熱容Cp,按熱學(xué)基本公式λ=α?ρ?Cp,即可獲取導(dǎo)熱系數(shù)λ。
樣品:致密固體(粉末需壓片成型),厚度0.5~3mm,直徑 12.7mm/25.4mm,表面需平整(減少激光反射);
溫區(qū):室溫~2800℃(真空/惰性氣氛下),尤其適合高溫(>800℃)下的比熱容測(cè)試,避免常規(guī)方法的傳熱誤差;
優(yōu)勢(shì):無(wú)接觸加熱,熱干擾小,高溫精度高,可同步獲得導(dǎo)熱系數(shù),適配高端材料研發(fā);
局限:不適合液體、多孔疏松材料(傳熱不均,溫升曲線(xiàn)失真)。
其他測(cè)試方法
基于穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)原理的比熱容測(cè)試方法,其通過(guò)構(gòu)建樣品的一維穩(wěn)態(tài)熱流場(chǎng),測(cè)量熱流密度、溫度梯度及樣品參數(shù),結(jié)合熱傳導(dǎo)相關(guān)公式間接計(jì)算比熱容。適用大塊平板固體(如建筑材料、保溫材料)。
最初用于測(cè)量材料的熱導(dǎo)率,通過(guò)熱導(dǎo)率與比熱容、密度的關(guān)系,可間接計(jì)算出比熱容。適用液體、氣體、土壤、巖石、多孔材料。
針對(duì)低溫場(chǎng)景(通常<100K,如超導(dǎo)材料、低溫合金),原理是通過(guò)電磁激勵(lì)讓樣品做機(jī)械振動(dòng),振動(dòng)頻率與樣品的熱容(比熱容 × 質(zhì)量)相關(guān),進(jìn)而換算比熱容。
與DSC原理相近,但測(cè)的是樣品與參比物的溫差,而非熱流差,通過(guò)溫差與熱量的關(guān)系換算比熱容。
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