2) Метод Сміта.

В цьому методі зразок 1 розміщують у закритому керамічному контейнері 2. Все це встановлюється в потужну піч 5 (Рис. 5). Потужність печі регулюють так, щоб між зовнішньою і внутрішньою стінками контейнера різниця температур була постійною. Ця різниця, +T при нагріванні і -T при охолодженні, вимірюється диференційною термопарою 3. При постійному градієнті T в стінці контейнера тепловий потік буде постійним. Цей потік тепла забезпечує зміну тепловмісту зразка і контейнера. Швидкість, з якою зразок отримує або віддає тепло, буде теж постійною. Вимірювання проводять в три етапи:

Рис. 5. Схема, пояснююча метод Сміта: 1 – зразок, 2 – прилад, що вимірює температуру зразка, 3 – керамічний стаканчик з кришкою, 4,5 – прилади для виміру середньої температури стаканчика і різниці температур в його стінці, відповідно

1) Пустий контейнер масою m_c і теплоємністю с_с нагрівають на T_с за час t_c. При цьому кількість затраченої теплоти за цей час складає

Q = с_сm_с(T/t)_с, (5)

де (T/t)_с- швидкість нагрівання пустого контейнера.

2) Нагрівають контейнер із зразком масою m_з і невідомою теплоємністю с_з і вираховують кількість тепла витраченого за час t_з:

Q = (с_зm_з + с_сm_с)(T/t)_з, (6)

де (T/t)_з - це швидкість нагрівання контейнера із зразком.

3) Нагрівають контейнер з еталоном масою m_е і відомою теплоємністю с_с і вираховують витрачене тепло:

Q = (с_еm_е + с_сm_с)(T/t)_е, (7)

де (T/t)_е - це швидкість нагрівання контейнера з еталоном. За еталон, наприклад для вивчення сталей беруть залізо.

Враховуючи контрольований постійний потік тепла у трьох випадках, прирівнюємо праві частини рівнянь (5, 6, 7) і після простих математичних перетворень отримуємо вираз для обчислення теплоємності зразка:

с_з = с_е (m_е/m_з)D , (8)

D = [(t/T)_з - (t/T)_с]/ [(t/T)_е - (t/T)_с],

де (t/T)_і величина, обернена швидкості нагрівання.

Знаючи с_з (8) можна знайти ентальпію зразка H(P=const)=cmT:

Н_з = (с_еm_е D+ с_сm_с)(T/t)_з (9)

Якщо при нагріванні протікає фазовий перехід у зразку, то можна визначити приховану теплоту перетворення:

Q_п = Н/m_з = /[(t/T)_е - (t/T)_с], (10)

яка дорівнює кількості енергії, що виділяється або поглинається при фазовому перетворенні за час , протягом якого температура залишається простійною.

Низькотемпературній метод (Кіттеля).

Вимірювання електронної складової теплоємності металів проводять при температурах близьких до абсолютного нуля в низькотемпературних калориметрах. В основі конструкції таких калориметрів лежить пристрій, який забезпечує низьку і наднизьку температуру і її зміну в невеликих межах. Цей пристрій називається кріостатом.

Способи отримання низьких і наднизьких температур.

Оскільки йдеться про низькотемпературні калориметри, в першу чергу розглянемо способи охолодження. Загальним є те, що для охолодження використовують зріджені гази: азот (Т_к = 77,4 К), повітря (80 К), неон (27.1 К), водень (20.4 К), гелій (4.2 К).. Для отримання низьких і наднизьких температур в лабораторних умовах використовують в основному рідкий гелій і азот. Існують такі способи охолодження:

1) Охолодження за допомогою холодоагенту в кріостаті в результаті безпосереднього контакту із зразком або теплопровідним металом (холодним пальцем з міді), до якого закріплено зразок. Наприклад, рідкий азот дає мінімальну температуру 77.4 К, а рідкий гелій (⁴Не) ще ближче до абсолютного нуля, тобто 4.2 К.

2) Температури, нижчі за температуру кипіння взятого холодоагенту, досягаються за допомогою його випаровування. Суть цього способу полягає у розрідженні парів азоту або гелію за допомогою відкачки форвакуумним насосом з герметичної посудини. Наприклад таким способом можна знизити температуру кипіння азоту від 77.4 К до 63 К, а гелію від 4.2 К до 1 К.

3) Температури, нижчі за температуру кипіння Не в умовах низького тиску парів (T<1 К), досягають за допомогою адіабатного розмагнічування парамагнітних солей. Інакше цей спосіб називається магнітним охолодженням.

Низькотемпературна камера калориметра.

Низькотемпературна камера калориметра, в якій застосовуються всі способи охолодження, показана на Рис. 8.

Рис. 6. ВИСОКОТОЧНИЙ АДІАБАТИЧНИЙ КАЛОРИМЕТР. 1 - трубка для заповнення; 2 - трубка для відкачування; 3 - кріостат (посудина Дьюара); 4 - нитки підвіски; 5 - вакуумний контейнер; 6 - адіабатичний екран; 7 - калориметрична ємність; 8 – термометр опору з нагрівачем.

Калориметрична ємність (7) являє собою циліндричну ємність. Для запобігання корозії вона зазвичай виготовляється з золота або платини. У своїй придонній частини посудина має заглиблення, в яке щільно вставляється термоме ємності розташовується тонка трубка, через яку калориметр заповнюють досліджуваною речовиною. Крім того, калориметр зазвичай забезпечений великим числом металевих смужок («крилець») для кращого внутрішнього теплообміну.

Адіабатичний екран (6) являє собою тонкостінний металевий циліндр, у якого придонна частина має вигляд конусу. Крім електричних нагрівачів, на ньому розміщуються термопари, що дозволяє порівнювати температуру його поверхні з температурою калориметричної ємності. Адіабатичний екран зсередини і калориметрична ємність зовні мають добре відбиваюче покриття, наприклад алюмінієву фольгу, для зменшення теплообміну між ними за рахунок випромінювання.

Центральна трубка вакуумного контейнера (5) пов'язана з насосом для підтримки високого вакууму і виведення проводів нагрівачів і термометрів. Посудина Дьюара містить криогенні речовини, які використовуються для охолодження всього пристрою і захисту його від зовнішніх теплових впливів під час вимірювань.

Зовнішні контрольно-вимірювальні прилади використовують для вимірювання та регулювання температури різних частин захисного кожуха. Опір термометра, напруга і струм нагрівача вимірюють за допомогою електричних приладів дуже високої чутливості. Наприклад, опір термометра вимірюєть з точністю до 10^-6, а інші величини - з точністю до 10^-5. Такий калориметр дозволяє вимірювати теплоємність з точністю до 10^-4 (0,01%). Зовнішні вимірювання можуть бути автоматизовані, однак при цьому часто відбувається втрата точності.

Для вимірювання теплоємності:

1. досліджувану речовини розміщують в калориметричній ємності;

2. вимірюють температуру досліджуваної речовини;

3. за допомогою електричного нагрівача до нього підводять відому кількість тепла і ретельно вимірюють підвищення температури.

Щоб за отриманими в ході вимірювання даними визначити теплоємність досліджуваного матеріалу, потрібно знати теплоємність самого калориметра. Вона може бути визначена шляхом вимірювання температури калориметра без зразка при підводі відомої кількості тепла

Література

1. Журавлёв Л.Г., Филатов В.И. Физические методы исследования металлов и сплавов: Учебное пособие для студентов металлургических специальностей. -Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2004. - 157 с.

2. В.Т. Черепин, Експериментальная техника в физическом металловедении. Киев, Техника, 1968, с.279.

3. Металловедение и термическая обработка стали. Справочник в трех томах, т.1, Методы испытаний и исследования, Москва, Металлургия, 1983, с. 351.

4. Энциклопедический словарь “Физика твердого тела”. Киев, Наукова думка, т.1, 1996, с. 556.

5. Харрисон У. Теория твердого тела / У. Харрисон. - М.: Мир, 1972. – 616 с.

11