DE1118997B

DE1118997B - Adiabatic calorimeter

Info

Publication number: DE1118997B
Application number: DEW25205A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Heinrich Wollenberger; Dipl-Ing Manfred Wuttig
Original assignee: HANNELORE WOLLENBERGER; MANFRED WUTTIG DIPL ING
Current assignee: HANNELORE WOLLENBERGER; MANFRED WUTTIG DIPL ING
Priority date: 1959-03-13
Filing date: 1959-03-13
Publication date: 1961-12-07

Description

Adiabatisches Kalorimeter Die Erfindung betrifft ein adiabatisches Kalorimeter zur Ermittlung der Temperaturabhängigkeit der spezifischen Wärme fester Körper sowie positiver isothermer Wärmetönungen in festen Körpern für hohe und tiefe Temperaturen.Adiabatic calorimeter The invention relates to an adiabatic Calorimeter to determine the temperature dependence of the specific heat solid Body as well as positive isothermal heat tones in solid bodies for high and low Temperatures.

Es sind Festkbrper-Kalorimeter für Messungen bei hohen und tiefen Temperaturen bekannt. Sie unterscheiden sich im wesentlichen durch das Verfahren, durch die Art der Ermittlung der primär nicht meßbaren Wärmemengen aus Messungen anderer physikalischer Größen. Verfahren, die auf der Messung anderer als elektrischer Größen beruhen, haben wegen des erheblichen apparativen Aufwandes und der trotzdem nur relativ geringen erzielbaren Meßsicherheit praktisch wenig Bedeutung erlangt. Dagegen werden Kalorimeter, bei denen die zu ermittelnden Wärmemengen auf elektrischem Wege erzeugt oder mit elektrisch erzeugten verglichen werden, vielfach benutzt. Bei den relativ genauen Kalorimetern dieser Gruppe wird in dem Prüfkörper Joulesche Wärme erzeugt und die hierzu erforderliche elektrische Energie gemessen. Diese Kalorimeter sind in ihrem Anwendungsbereich im wesentlichen auf drahtförmige Prüfkörper beschränkt. They are solid-state calorimeters for measurements at high and low levels Temperatures known. They differ essentially in the process, by the way in which the primarily immeasurable amounts of heat are determined from measurements other physical quantities. Procedures based on measurement other than electrical Sizes are based, have because of the considerable outlay on equipment and anyway only a relatively low achievable measurement certainty is of little importance in practice. On the other hand, calorimeters, in which the amount of heat to be determined is based on electrical Paths generated or compared with electrically generated ones are widely used. In the case of the relatively precise calorimeters of this group, Joule is in the test body Generated heat and measured the electrical energy required for this. These calorimeters are essentially limited in their area of application to wire-shaped test specimens.

Bei einer anderen Gruppe von Kalorimetern wird Joulsche Wärme außerhalb des Prüfkörpers erzeugt und diesem durch Wärmeübertragung zugeführt. Die bei der Wärmeübertragung auftretenden Wärmeverluste sind nicht exakt zu ermitteln, insbesondere nicht bei hohen Temperaturen. Eine genügende Meßsicherheit konnte nur mit sehr komplizierten Laboratoriumskalorimetern erzielt werden, die ziemlich große Prüfkörper erfordern. In another group of calorimeters, Joule's heat is outside generated by the test body and fed to it by heat transfer. The at the Heat losses occurring during heat transfer cannot be determined exactly, in particular not at high temperatures. A sufficient measurement certainty could only be achieved with very complicated ones Laboratory calorimeters can be achieved, which require rather large specimens.

Es sind auch adiabatische Kalorimeter bekannt, bei denen ein Schutzmantel den Prüfkörper umgibt, der mit der gleichen Geschwindigkeit wie der=Prüfkörper aufgeheizt wird, so daß die Temperaturdifferenz zwischen beiden möglichst klein und konstant bleibt. There are also known adiabatic calorimeters in which a protective jacket surrounds the test body, which heats up at the same speed as the = test body so that the temperature difference between the two is as small and constant as possible remain.

Diese Kalorimeter eignen sich besonders für Messungen bei hohen Temperaturen, wo die Temperaturkorrektion bei unvollständiger Adiabasie wegen der Zunahme der Wärmestrahlung verhältnismäßig hohe Werte annimmt. Der Prüfkörperbehälter ist in einem Ausführungsbeispiel an Konstantandrähten innerhalb des Schutzmantels aufgehängt.These calorimeters are particularly suitable for measurements at high temperatures, where the temperature correction in the case of incomplete adiabasia because of the increase in Thermal radiation assumes relatively high values. The specimen container is in one embodiment suspended from constantan wires within the protective jacket.

Die Erfindung betrifft ein adiabatisches Kalorimeter zur Ermittlung der Temperaturabhängigkeit der spezifischen Wärme fester Körper sowie positiver isothermer Wärmetönungen in festen Körpern für tiefe und hohe Temperaturen. Gekennzeichnet ist das erfindungsgemäße Kalorimeter dadurch, daß die Erwärmung des Prüfkörpers lediglich durch Beschuß desselben mit mittelschnellen bzw. schnellen Elektronen erfolgt, deren Bewegungsenergie durch Abbremsen der Elektronen im Innern des Prüfkörpers vollständig in Wärme umgesetzt wird, und daß hierbei die im Prüfkörper wirksame Wärmeenergie durch Messen der Elektronenenergie in an sich bekannter Weise exakt bestimmbar ist. The invention relates to an adiabatic calorimeter for determination the temperature dependence of the specific heat of solid bodies as well as positive ones isothermal heat tones in solids for low and high temperatures. Marked the calorimeter according to the invention is characterized in that the heating of the test body only by bombarding it with medium-fast or fast electrons takes place, the kinetic energy of which is caused by braking the electrons inside the test body is completely converted into heat, and that this is effective in the test body Exact heat energy by measuring the electron energy in a manner known per se is determinable.

Der Prüfkörper ist im Inneren eines metallischen Hohlkörpers im Vakuum angeordnet. Da durch die Verwendung von Elektronen zur Erwärmung des Prüfkörpers keine Wärmeverluste durch Zuführungsleitungen u. dgl. wie bei den bekannten Kalorimetern auftreten, kann die Materialmenge des Prüfkörpers sogar so weit herabgesetzt werden, daß der Prüfkörper selbst beispielsweise nur an dünnen Drähten im Inneren des Hohlkörpers aufgehängt zu werden braucht. Hierdurch wird hinsichtlich der Montierung des Prüfkörpers eine gute thermische Isolierung gegenüber der Umgebung erreicht. Auch der Wärme austausch des Prüfkörpers mit seiner Umgebung durch Strahlung kann durch geeignete, an sich bekannte Maßnahmen auf einen gegenüber der dem Prüfkörper zugeführten Energie vernachlässigbaren Anteil vermindert werden. Dem Prüfkörper wird also nur die meßbare Elektronenenergie, und zwar vollständig, zugeführt. Ein Wärmeaustausch mit seiner Umgebung wird soweit als möglich und sehr wirksam herabgesetzt. Es liegt also dann praktisch ein adiabatischer Zustand vor. The test body is inside a metallic hollow body in a vacuum arranged. Because by using electrons to heat the test body no heat losses through supply lines and the like as with the known calorimeters occur, the amount of material in the test specimen can even be reduced to such an extent that that the test body itself, for example, only on thin wires inside the hollow body needs to be hung. This is with regard to the mounting of the test body good thermal insulation from the environment is achieved. Even the warmth Exchange of the test body with its surroundings by radiation can be done by suitable, measures known per se on a relative to the energy supplied to the test body negligible proportion can be reduced. So only the measurable one gets to the test body Electron energy, completely supplied. An exchange of heat with his Environment is degraded as much as possible and very effectively. So it is then practically an adiabatic state.

Die Erfindung ist an Hand der Zeichnung an einem schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert. The invention is shown schematically on the basis of the drawing Embodiment explained in more detail.

Das Kalorimeter, mit dem sowohl die Temperaturabhängigkeit der spezifischen Wärme als auch endotherme Wärmetönungen isotherm ablaufender Reaktionen an festen Körpern bei tiefen und hohen Temperaturen bestimmt werden können, besteht im wesentlichen aus vier Teilen: 1. einem Elektronenstrahlerzeugungssystem, 2. einem Mantelgefäß zur Aufnahme des Prüfkörpers, 3. einem Hochvakuumgefäß mit entsprechendem Pumpstand sowie einer Meß- und Steuereinrichtung. The calorimeter, with which both the temperature dependence of the specific Heat as well as endothermic heat tones from isothermal reactions on solids Bodies can be determined at low and high temperatures, consists essentially consisting of four parts: 1. an electron gun, 2. a jacket vessel for holding the test body, 3. a high vacuum vessel with a corresponding pumping station as well as a measuring and control device.

Das Elektronenstrahlerzeugungssystem E besteht im Ausführungsbeispiel aus einer Kathode, einem Wehneltzylinder und einer Anode. Die geometrische Anordnung dieser Elemente ist so getroffen, daß man auch auf größere Entfernung einen gut gebündelten ElektronenstrahlEl erhält. Dies wird am besten erreicht durch ein langbrennweitiges elektronenoptisches System. Das Elektronenstrahlerzeugungssystem befindet sich beispielsweise zusammen mit dem Mantelgefäß K in einem Hochvakuumgefäß G. The electron gun E consists in the embodiment from a cathode, a Wehnelt cylinder and an anode. The geometric arrangement of these elements is such that you can get a good look even at a great distance bundled electron beam El receives. This is best achieved with a long focus electron optical system. The electron gun is for example together with the jacket vessel K in a high vacuum vessel G.

Der Elektronenstrahl El tritt durch eine Öffnung in das Innere des als Hohlkörper ausgebildeten metallischen Mantelgefäßes K ein. In dem Mantelgefäß ist der Prüfkörper an sehr dünnen Drähten so aufgehängt, daß der Elektronenstrahl nur auf den Prüfkörper selbst auftrifft. In dem Ausführungsbeispiel bilden die Drähte D Schenkel eines Differential-Thermoelementes, das die Temperaturdifferenz zwischen Prüfkörper und Mantelgefäß zu messen gestattet. Ferner dienen die Drähte D zur Ableitung des über den Prüfkörper fließenden Elektronenstrahlstromes. Das Mantelgefäß K kann mittels einer Heizwicklung elektrisch aufgeheizt oder mittels eines Kühlmittels, das durch die Kühlschlange S hindurchgeleitet wird, abgekühlt werden. Die Abmessungen des Mantelgefäßes sind so gewählt, daß der Temperaturgradient auf der inneren Oberfläche möglichst klein gehalten wird. Ein Wärmeübergang durch thermische Strahlung von der Kathode zum Prüfkörper kann beispielsweise durch entsprechende Wahl des Abstandes von Kathode und Prüfkörper und Verwendung von SchirmblechenBI oder durch Umlenken des Elektronenstrahles mittels an sich bekannter elektronenoptischer Mittel vermieden werden. Im letzteren Fall ist also der Prüfkörper nicht direkt von der Kathode aus sichtbar. Bei der Ermittlung der Temperaturabhängigkeit der spezifischen Wärme wird das Kalorimeter wie folgt verwendet: Das Mantel gefäß wird mit konstanter Geschwindigkeit aufgeheizt. Gleichzeitig trifft der Elektronenstrahl in der keilförmigen Kerbe Ke des Prüfkörpers auf dessen Oberfläche, wobei die kinetische Energie der Elektronen in Wärme umgesetzt wird. Zur Vermeidung von Energieverlusten durch unelastisch und quasielastisch am Prüfkörper gestreute Elektronen wird das Mantelgefäß negativ gegen den Prüfkörper aufgeladen. Bei fester Beschleunigungsspannung wird der Elektronenstrom zum Prüfkörper und damit die zugeführte Wärmemenge mit Hilfe der noch zu beschreibenden Steuereinrichtung so geregelt, daß die Temperaturdifferenz zwischen Prüfkörper und dem mit konstanter Geschwindigkeit aufgeheizten Mantelgefäß zu jeder Zeit nur wenig von Null verschieden und damit der Restwärmestrom über die dünnen Aufhängedrähte, der hier auch exakt zu berechnen ist, sowie der verbleibende Strahlungsaustausch gegenüber der am Prüfkörper wirksamen Wärmemenge vernachlässigbar klein ist. Auf diese Weise wird der Prüfkörper durch den Elektronenstrahl adiabatisch aufgeheizt, d. h., der Quotient - zugeführte Leistung, gegeben durch das Produkt aus Beschleunigungsspannung der Elektronen und Strahlstromstärke über den Prüfkörper, dividiert durch die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit - stellt die Wärmekapazität dar.The electron beam El enters the interior of the through an opening formed as a hollow body metallic jacket vessel K a. In the jacketed vessel the test body is suspended from very thin wires in such a way that the electron beam only hits the test body itself. In the embodiment, the wires form D leg of a differential thermocouple that measures the temperature difference between Test specimen and jacket vessel allowed to measure. The wires D are also used for derivation the electron beam current flowing over the test body. The jacket vessel K can electrically heated by means of a heating coil or by means of a coolant, which is passed through the cooling coil S, can be cooled. The dimensions of the jacket vessel are chosen so that the temperature gradient on the inner surface is kept as small as possible. A heat transfer through thermal radiation from the cathode to the test body can, for example, by selecting the appropriate distance of cathode and test body and use of shielding plates BI or by deflection of the electron beam avoided by means of electron-optical means known per se will. In the latter case, the test body is not directly from the cathode visible. When determining the temperature dependence of the specific heat is The calorimeter is used as follows: The jacketed vessel is operated at constant speed heated up. At the same time, the electron beam hits the wedge-shaped notch Ke of the test body on its surface, with the kinetic energy of the electrons is converted into heat. To avoid energy loss through inelastic and Electrons that are quasi-elastically scattered on the test body become negative against the jacket vessel charged the test body. When the accelerating voltage is fixed, the electron current is to the test body and thus the amount of heat supplied with the help of the yet to be described Control device regulated so that the temperature difference between the test body and the jacket vessel heated at constant speed only a little at any time different from zero and thus the residual heat flow over the thin suspension wires, which has to be calculated exactly here, as well as the remaining radiation exchange opposite to the amount of heat effective on the test body is negligibly small. In this way the specimen is heated adiabatically by the electron beam, d. h., the Quotient - supplied power, given by the product of the acceleration voltage the electrons and beam current intensity over the test specimen, divided by the rate of temperature rise - represents the heat capacity.

Bei der Untersuchung einer isotherm ablaufenden endothermen Reaktion wird das Mantelgefäß durch Kühlung oder Heizung zusammen mit dem Prüfkörper auf die Meßtemperatur gebracht. Die für den Ablauf der isothermen Reaktion erforderliche Wärmemenge wird, wie oben beschrieben, dem Prüfkörper mit Hilfe des Elektronenstrahles so zugeführt, daß die Temperaturdifferenz zwischen Prüfkörper und Mantelgefäß jederzeit möglichst wenig von Null verschieden ist. Daher stellt die dem Prüfkörper übertragene Elektronenenergie, gegeben durch das Produkt aus Beschleunigungsspannung, Strahlstromstärke und Dauer der Energiezufuhr, die zu ermittelnde Wärmetönung dar. When investigating an isothermal endothermic reaction the jacket vessel is opened together with the test specimen by cooling or heating brought the measuring temperature. The one required for the isothermal reaction to take place As described above, the amount of heat is transferred to the test specimen with the aid of the electron beam fed in such a way that the temperature difference between the test body and the jacket vessel at all times is as little different from zero as possible. Therefore, the transferred to the test body Electron energy, given by the product of accelerating voltage and beam current and duration of the energy supply, the heat tone to be determined.

Die selbsttätig registrierende Meß- und Steuereinrichtung hat folgende Aufgaben: Das Mantelgefäß muß zur einfacheren Auswertung mit konstanter Geschwindigkeit aufgeheizt werden. The automatically registering measuring and control device has the following Tasks: The jacket vessel must be kept at a constant speed for easier evaluation be heated.

Dazu wird bei elektrischer Aufheizung die Spannung an der Heizwicklung nach einer passend ansteigenden Funktion geregelt. Weiter muß die Energiezufuhr zum Prüfkörper so geregelt werden, daß die Temperaturdifferenz zwischen Prüfkörper und Mantelgefäß möglichst gering ist. Zu diesem Zweck wird die einige Kilovolt betragende Beschleunigungsspannung elektronisch stabilisiert und die Strahlstromstärke durch die erwähnte Temperaturdifferenz selbst gesteuert. Dazu wird die Thermospannung des Differenzthermoelementes, bestehend aus den Aufhängedrähten D, mit einem hochempfindlichen Galvanometer gemessen, dessen Ausschlag, photoelektrisch verstärkt, die Wehneltspannung der Elektronenquelle steuert. Bei konstanter Beschleunigungsspannung und konstanter Temperaturanstiegsgeschwindigkeit sind lediglich Strahlstromstärke über den Prüfkörperl, und Temperatur des Prüfkörpers oder Temperatur T des Mantelgefäßes zu registrieren. Beide Größen können vorzugsweise mit einem einfachen umschaltenden Schreiber aufgezeichnet werden. Für die Untersuchung einer isotherm ablaufenden endothermen Reaktion unterscheidet sich die Meß- und Steueraufgabe von der vorstehend beschriebenen nur dadurch, daß die Spannung an der Heizwicklung oder der Kühlmittelstrom durch die Kühlschlange konstant zu halten und der Strahlstrom über den Prüfkörper Ip zeitlich zu integrieren ist.For this purpose, the voltage is applied to the heating coil during electrical heating regulated according to a suitably increasing function. The energy supply must continue to the test body are regulated so that the temperature difference between the test body and jacket vessel is as small as possible. For this purpose, the amount of a few kilovolts Electronically stabilized acceleration voltage and the beam current intensity controlled the mentioned temperature difference itself. This is the thermal voltage of the differential thermocouple, consisting of the suspension wires D, with a highly sensitive Galvanometer measured, the deflection of which, photoelectrically amplified, the Wehnelt voltage the electron source controls. With constant acceleration voltage and constant The speed of temperature rise is only the beam current intensity over the test body, and to register temperature of the test body or temperature T of the jacket vessel. Both quantities can preferably be recorded with a simple toggle recorder will. For the investigation of an isothermally proceeding endothermic reaction differentiates the measuring and control task of the above-described only in that the voltage on the heating coil or the coolant flow through the cooling coil to keep constant and to integrate the beam current over the test body Ip over time is.

Abweichend von herkömmlichen Meßmethoden wird in der zur Anmeldung kommenden Vorrichtung die Energiezufuhr zum Prüfkörper so durch Elektronenbeschuß bewerkstelligt, daß die mit dieser Energietransportart verknüpften adiabatischen Bedingungen erstmalig für kalorimetrische Zwecke ausgenutzt werden. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, auch in dem technisch wichtigen Fall kleiner Prüfkörper die Temperaturabhängigkeit der spezifischen Wärme und endotherme Wärmetönungen isotherm ablaufender Reaktionen mit hoher Sicherheit zu bestimmen. Bedingt durch die gewählte Energiezufuhr enthält das Kalorimeter auch einfache konstruktive Merkmale, so daß eine Serienfertigung ermöglicht wird. Weiter läßt die leistungslose Steuerung des Elektronenstrahles eine einfache und betriebssichere elektrische Regel- und Versorgungseinrichtung zu. Damit wird der Materialprüfung ein Gerät zur Messung kleiner Wärmemengen in die Hand gegeben, das relativ einfach in seinem Aufbau und auch einfach zu bedienen ist. Deviating from conventional measurement methods, the application for registration coming device the energy supply to the test body by electron bombardment brings about that the adiabatic associated with this type of energy transport Conditions are used for the first time for calorimetric purposes. This results in the possibility, even in the technically important case of small test bodies, the Temperature dependence of the specific heat and endothermic heat tones isothermal to determine the reactions taking place with a high degree of certainty. Due to the chosen The calorimeter also contains simple energy input constructive Features so that series production is possible. Next leaves the unpowered Control of the electron beam a simple and reliable electrical control and utility too. This makes materials testing a device for measurement small amounts of heat in the hand, which is relatively simple in its structure and is also easy to use.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Adiabatic calorimeter to determine the Temperature dependence of the specific heat of solid bodies as well as positive isothermal Heat tones in solid bodies for low and high temperatures, characterized in that the test body is only heated by bombarding it with medium-fast or fast electrons, their kinetic energy by braking the electrons inside the test body is completely converted into thermal energy, and that here the thermal energy effective in the test body by measuring the electron energy in an can be determined exactly in a known manner.

2. Calorimeter according to claim 1, characterized in that the test body arranged in the interior of a metallic jacket vessel designed as a hollow body is.

3. Calorimeter according to claims 1 and 2, characterized in that that the test body is suspended from thin wires.

4. Calorimeter according to claim 3, characterized in that the thin Wires are also designed as legs of a differential thermocouple.

5. Calorimeter according to claims 1 to 4, characterized in that that the electron beam generation system as a long focal length electron optical System is trained.

6. Calorimeter according to claims 1 to 5, characterized in that that the electron beam is so focused and directed that it is only on a part the surface of the test body hits.

7. Calorimeter according to claims 1 to 6, characterized in that that shielding plates between the test body and the cathode of the electron gun are arranged.

8. Calorimeter according to claims 1 to 6, characterized in that that the electron beam in a manner known per se by means of electron optics known per se Means is diverted.

9. Calorimeter according to claims 1 to 8, characterized in that that a cooling coil is arranged around the jacket vessel.

10. Calorimeter according to claims 1 to 9, characterized in that that a heating coil is provided for heating the jacket vessel.

11. Calorimeter according to claims 1 to 10, characterized in that that the jacket vessel is placed on negative potential with respect to the test body.

12. Calorimeter according to claims 1 to 11, characterized in that that the calorimeter with a control device for heating the jacket vessel as well as for the energy supply to the test body and preferably with a recorder connected is.

Considered publications: F. Kohlrausch: "Practical Physics" (1935), p. 247; VDJ magazine, No. 23, from August 11, 1958, pp. 1081 to 1085.