Способ определения теплоемкости полимеров при постоянном давлении

 

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.

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 <Т, (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 εʹ и εʺ.
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.

Формула изобретения

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

РИСУНКИ

Рисунок 1