D5 Thermoanalyse (DSC / Dilatometrie)

Thema

Die dynamische Differenzkalorimetrie (DSC), die erste der beiden in diesem Modell beschriebenen experimentellen Methoden, erhitzt oder kühlt eine Probe des betreffenden Metalls kontrolliert ab und misst dabei kontinuierlich den Wärmeaustausch zwischen der Probe und einer inerten Referenz. Bei einer Phasenumwandlung des Metalls wird zusätzliche Wärme aufgenommen oder abgegeben, die sich im Messprotokoll als Wärmeflussmaximum manifestiert. Die Tatsache, dass das Metall während der Messung eine Phasenumwandlung durchläuft, führt dazu, dass der gemessene Wärmefluss in diesem Moment von der Basislinie abweicht, die anschließend im restlichen Messprotokoll beibehalten wird. Dadurch entsteht dieses Maximum.

Das Integral dieses Wärmeflussmaximums über den gesamten Zeit- oder Temperaturbereich, in dem es sich befindet, ergibt die Enthalpie der Phasenumwandlung: die gesamte durch diese Umwandlung aufgenommene oder abgegebene Wärmemenge, unabhängig davon, wie viel Wärme im selben Zeitraum von der nicht umgewandelten Probe ausgetauscht wurde. Die Tatsache, dass diese Phasenumwandlung bei gleicher Probe mehr Atome dieses Metalls betrifft, führt zu einem höheren Integral des maximalen Wärmestroms und einer größeren Umwandlungsenthalpie.

Die Dilatometrie, die zweite in diesem Modell beschriebene experimentelle Methode, erfasst die Dimensionsänderung einer Metallprobe in Abhängigkeit von der Temperatur. Aus dieser Ausdehnungs- bzw. Kontraktionskurve wird der momentane Wärmeausdehnungskoeffizient des Metalls bei jeder Temperatur berechnet: die lokale Steigung der Kurve anstelle eines über den gesamten Temperaturbereich gemittelten Koeffizienten. Die stärkere Ausdehnung der Probe bei gleicher Temperaturerhöhung bedeutet einen höheren, an diesem Punkt berechneten momentanen Wärmeausdehnungskoeffizienten.

Daher verwendet dieses Modell, zusammen mit der dynamischen Differenzkalorimetrie und der Dilatometrie, die es entwickelt hat, dieselben Techniken, die bereits in einem anderen Modell für ähnliche Zwecke eingesetzt wurden – nämlich in einem Modell zur thermischen Charakterisierung von Keramik. Es verwendet insbesondere dieselbe Dilatometrie, die bereits in einem anderen Modell für eine weitere Materialgruppe Anwendung findet. Dieses Modell bestimmt anhand des Schnittpunkts der Steigungen auf derselben Ausdehnungskurve die Glasübergangstemperatur eines Glases. Die Tatsache, dass sowohl die mittels Differenzkalorimetrie gemessene Umwandlungsenthalpie als auch der mittels Dilatometrie gemessene momentane thermische Ausdehnungskoeffizient in beiden Fällen von einer als Funktion der Temperatur gemessenen Kurve abhängen, bedeutet, dass beide Techniken – abgesehen vom angewendeten Material – dieselbe experimentelle Grundlogik teilen.

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