СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОЕМКОСТИ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ЖИДКОСТЕЙ И РАСТВОРОВ

Изобретение относится к теплофизике и может быть применено при измерении удельной теплоемкости наноструктурированных жидкостей и растворов в автоматическом режиме, а также послужить в качестве учебного пособия для студентов, преподавателей и ученых, изучающих теплофизические свойства растворов.

Известен способ [1], включающий серию измерений теплоемкости материалов по схеме адиабатического калориметра.

Недостатки:

- данный способ требует длительного времени для установления адиабатических условий и теплового равновесия, что снижает оперативность проведения измерений;

- точность результатов существенно зависит от степени теплоизоляции калориметра и стабильности внешних условий, что затрудняет получение воспроизводимых данных;

- способ, как правило, предполагает ручную фиксацию и обработку результатов измерений, что увеличивает влияние субъективного фактора оператора.

Указанные особенности ограничивают возможность автоматизации процесса измерения и снижают эффективность применения метода при исследовании наноструктурированных жидкостей и растворов.

Другим аналогом является способ измерения теплоемкости посредством дифференциального калориметра [2], включающего две калориметрические ячейки, размещенные внутри температуровыравнивающего блока и отделенные от него равными тепловыми сопротивлениями, снабженными измерителями перепадов температур по тепловым сопротивлениям, включенными встречно, и источники электрической мощности. Способ состоит в том, что проводят два испытания, помещая в одну из ячеек последовательно эталонный и исследуемый образцы. К ячейкам подводят равные мощности и регистрируют изменение во времени разности температур ячеек после прекращения подвода мощности. Дополнительно регистрируют изменение во времени разности температур ячеек в процессе подвода к ним мощности

Недостатки:

- сложность экспериментальной процедуры, связанная с необходимостью проведения двух последовательных испытаний с эталонным и исследуемым образцами, что увеличивает продолжительность измерений и снижает их оперативность;

- точность определения теплоёмкости в значительной степени зависит от идентичности тепловых сопротивлений и симметричности калориметрических ячеек, достижение которых на практике затруднено;

- имеет место чувствительность к нестабильности подводимой электрической мощности, поскольку даже незначительные отклонения приводят к искажению разности температур ячеек;

- регистрация температурных разностей после прекращения подвода мощности и в процессе нагрева усложняет обработку экспериментальных данных и ограничивает возможности автоматизации измерений, что снижает эффективность применения способа при исследовании наноструктурированных жидкостей и растворов.

В качестве прототипа выбран способ измерения теплоемкости материалов [3] посредством дифференциального калориметра, включающего две калориметрические ячейки, размещенные внутри общего теплоизолирующего корпуса, снабженные измерителями температуры, измерителем перепада температуры и источниками электрической мощности. Способ заключается в том, что в одну из ячеек помещают исследуемый образец и измеряют температуру в каждой из ячеек в процессе их нагрева. Предварительно определяют теплоемкость каждой ячейки без образца, для чего на имеющие одинаковую температуру ячейки подают некоторое количество энергии, регистрируют температуру ячеек при достижении ими теплового равновесия и определяют их теплоемкость, помещают в одну из ячеек образец, на каждую ячейку, с учетом их теплоемкости, подают энергию, необходимую для ее нагрева на заданную величину, а на ячейку, содержащую образец, подают дополнительную энергию до выравнивания температур ячеек и определяют удельную теплоемкость образца.

Недостатки:

- сложность и многоэтапность процедуры измерения, включающей предварительное определение теплоёмкости каждой калориметрической ячейки, а также последующую подачу дополнительной энергии для выравнивания температур, что увеличивает продолжительность эксперимента и усложняет его реализацию;

- точность определения удельной теплоёмкости в значительной степени зависит от идентичности тепловых характеристик калориметрических ячеек и стабильности источников электрической мощности, что на практике трудно обеспечить;

- измерение температуры осуществляется опосредованно через калориметрические ячейки, а не непосредственно в исследуемом образце, что может приводить к дополнительным погрешностям, особенно при исследовании жидких и наноструктурированных сред.

Указанные особенности ограничивают возможность полной автоматизации процесса измерения и снижают эффективность применения прототипа при исследовании наноструктурированных жидкостей и растворов.

Целью является разработка упрощенного способа, позволяющего наиболее точно измерять удельные теплоемкости наноструктурированных жидкостей и растворов, причем в автоматическом режиме.

Поставленная цель достигается при помощи специально созданного устройства [4], содержащего, калориметр, исследуемый образец и электронно-вычислительное устройство. В цепи последовательно подключены источник питания, лабораторный автотрансформатор (ЛАТР), амперметр и калориметр с резистором внутри, в полости которого установлена U-образная трубка, наполненная жидким исследуемым образцом (наноматериалом) с погруженными в него одних концов спаев одной термопары. Другие концы термопары присоединены к мультимеру (тестеру), подключенному к компьютеру. Сбоку, сквозь стенку калориметра, во внутрь U-образной трубки в измеряемую среду введены спаи другой термопары, подключенной к гальванометру. При этом к ЛАТРу отдельно подключен вольтметр.

Заявляемое техническое решение поясняется следующими графическими изображениями:

на Фиг. 1 изображен график зависимости ЭДС от температуры E = f(∆t), где E - напряжение, f - функция, ∆t – разность температур,

на Фиг. 2 – график зависимости ЭДС (Е, мВ) от времени (τ, секунды) для чистой воды,

на Фиг. 3 – график зависимости изменения температуры пустого калориметра и наполненного исследуемым материалом от времени, где линия 1- пустой калориметр, линия 2- калориметр, заполненный исследуемым материалом,

на Фиг. 4 - график зависимости удельной теплоемкости водного раствора диметилкетона (Ср) от температуры (Т, К),

на Фиг. 5 - график зависимости массы диметилкетона от концентрации водного раствора диметилкетона: Образец №1 - H₂O; Образец №2 - (50 мл H₂O + 0,5 г порошка диметилкетона); Образец №3 - (50 мл H₂O + 1 г порошка диметилкетона); Образец №4 - (50 мл H₂O + 1,5 г порошка диметилкетона); Образец №5 - (50 мл H₂O + 2,5 г порошка диметилкетона); Образец №6 - (50 мл H₂O + 1,5 г порошка диметилкетона); Образец №7 - (50 мл H₂O + 3 г порошка диметилкетона);

Способ осуществляется следующим образом.

На аналитических весах взвешивают определенное количество исследуемого образца и при помощи шприца вливают в U-образную трубку, установленную в трубчатом резисторе. Одни концы спаев первой термопары вводят через горловину данной трубки, а другие ее концы через тестер подключают к компьютеру.

Для сравнения и достоверности измерений одни концы спаев другой термопары вводят сквозь специально проделанные отверстия сбоку калориметра и сквозь стенку U-образной трубки в измеряемую среду, а другие ее концы подключают к гальванометру.

Затем с источника питания по цепи, через ЛАТР и амперметр электрический ток подают к трубчатому резистору, при помощи которого нагревают находящуюся в нем U-образную трубку с исследуемым образцом. При этом с помощью амперметра и под контролем вольтметра электрический ток и напряжение плавно увеличивают до 0,5А и 50В.

В ходе нагревания образца образуются тепловые сигналы, которые посредством первой термопары преобразовывают в электрические и подают к мультимеру (тестеру), подключенному к компьютеру. По истечении каждого определенного промежутка времени параметры указанных электрических сигналов фиксируют на компьютере и обрабатывают при помощи программы Excel и получают соответствующие графики. При этом температуру исследуемой жидкости измеряют пошагово в зависимости от времени до температуры ее кипения.

Одновременно при помощи гальванометра снимают и фиксируют другие параметры электрических сигналов, преобразованной второй термопарой. Далее, полученные данные обрабатывают на компьютере при помощи программы Excel и получают соответствующие графики.

Далее, по следующей общеизвестной формуле вычисляют удельную теплоемкость жидкого исследуемого образца где ∆E – разность потенциалов, ∆t – разность температур, α – коэффициент термоэлектрический. Исследования проводились в течение двадцати минут при температуре 22^оС, давлении 0,101Мпа и при температуре дистиллированной воды 21^оС (10г Н₂О) (Таблица 1 и 2, Фиг. 1).

На Фиг. 1 видно, что в обоих случаях получены близкие значения.

Опираясь на Фиг. 1 выведено уравнение зависимости ЭДС от времени:

E = 0,003τ² + 0,1161τ – 0,5634, (мВ)                          (3),

где Е - напряжение, τ - время

Производное уравнение (3) исследуемого образца рассчитано с погрешностью не более 1 %.

Исходя из Фиг. 2 и выражения (2) получаем формулу зависимости ЭДС от времени:

E = -0,0002τ2+0,2972τ-1,5814, (мВ)                           (4),

Полученное уравнение ЭДС образца (4) рассчитано с погрешностью не более 1,9%.

Для доказательства уравнений 3 и 4 проведем исследование жидкого порошка диметилкетона и дистиллированный воды (0,2 г диметилкетона + 50 мл чистой воды).

Для получения удельной теплоёмкости исследуемых материалов на сжатие в калориметре с помощью компьютера строим график зависимости изменения температуры пустого калориметра и калориметра с исследуемым материалом от времени (Фиг. 3), где линия 1- пустой калориметр, линия 2- калориметр, заполненный исследуемым материалом (данные из таблиц 1 и 2).

Числовое значение абсолютного изменения температуры в зависимости от изменения времени, получено из Фиг. 3 и рассчитано по следующей формуле:

Ср =  ,                           (5),

где

U - напряжение источника тока (В); R - сопротивление нагревателя (Ом); m - общая масса