Přehled nejpoužívanějších metod

Transkript

1 Termická analýza - teorie Fázové přeměny tuhých látek jsou doprovázeny pohlcováním nebo uvolňováním tepla, změnou rozměrů, změnou magnetických, elektrických, mechanických a případně ještě dalších vlastností. Proto lze na základě změn průběhu zmíněných vlastností usuzovat na fázové přeměny probíhající v materiálu. Byla vyvinuta celá řada metod, které lze rozdělit do základních třech skupin: a) metody studia krystalizace b) metody studia fázových přeměn v tuhém stavu c) další metody (např. metody studia rozkladných reakcí tuhých látek za vývinu plynné fáze, metody studia fázových přeměn pomocí studia difúze, atd.) Základním úkolem těchto metod je získat informace pro vypracování technologických postupů pro lití, ochlazování, tepelné zpracování, tváření a další výrobní procesy. Tyto postupy se mohou optimalizovat na základě rovnovážných diagramů či nerovnovážných diagramů (ARA, IRA, popouštěcí diagramy, kinetické diagramy eutektické krystalizace atd.). Vedle toho slouží uvedené metody studia fázových přeměn také pro stanovení některých fyzikálních vlastností, např. teplot tání čistých látek, stanovení Curieova bodu, teplot likvidu a solidu, koeficientu délkové teplotní roztažnosti, tepelné a elektrické vodivosti, pomáhají při studiu kinetiky a termodynamiky různých procesů a reakcí. Své místo našly metody termické analýzy také při kontrole výroby a při ověřování jakosti výrobků. Podle povahy studovaného problému se metody termické analýzy často kombinují nebo doplňují měřeními jinými metodikami, např. mikrostrukturní a chemickou analýzou. Interpretace výsledků může být usnadněna a množství získaných poznatků podstatně rozšířeno využitím kombinace několika metod termické analýzy v jediném experimentu. Přehled nejpoužívanějších metod KLASICKÁ TERMICKÁ ANALÝZA (TA) představuje nejstarší a nejjednodušší metodu používanou pro stanovení teploty tání a tuhnutí u čistých látek, resp. teplot likvidu a dalších charakteristických teplot u slitin či složitějších nekovových soustav. Je založena na registraci uvolňovaného nebo pohlcovaného tepla při fázové přeměně. Měří se teplota systému v závislosti na čase. Probíhající fázové přeměny se na křivkách závislosti T = f (t) projevují typickými anomáliemi. V případě čisté látky, binárního eutektika, resp. peritektika se na křivce projeví izotermická prodleva, počátek a konec krystalizace tuhého roztoku se projeví zlomem, odpovídajícím změně rychlosti ochlazování resp. ohřevu, viz obr.1.

2 Obr.1: Typické anomálie na ochlazovací křivce Metoda je vhodná pro sledování krystalizace kovů a slitin, které jsou doprovázeny výrazným tepelným efektem. Nehodí se proto pro sledování fázových přeměn v tuhém stavu, které jsou málo tepelně zabarveny a tato metoda je v takových případech nepříliš citlivá. Křivka ochlazování vynesená v souřadnicích T = f (t) podává nejméně zřetelný obraz přeměn. Proto se často křivky ochlazování vynášejí v jiných souřadnicích, nejčastěji dt/dt = f (t), T = f (dt/dt) a T= f (dt/dt). Na obr.2 je příklad idealizované křivky ochlazování a její časové derivace. V běžné slévárenské praxi se klasická termická analýza pro svoji jednoduchost a rychlost například používá k průběžné kontrole stavu tavenin (očkování, modifikace) před odléváním. Obr.2: Křivka ochlazování a její derivace Mnohem významnější a citlivější metodou však je diferenční termická analýza.

3 DIFERENČNÍ TERMICKÁ ANALÝZA (DTA) je založena na měření rozdílu teplot zkoumaného vzorku a srovnávacího vzorku (etalonu). Základní požadavky kladené na referenční vzorek jsou: inertnost a stabilita (nesmí prodělávat fázovou přeměnu) v měřeném intervalu teplot, etalon a zkoumaný vzorek musí mít co nejpodobnější tepelnou kapacitu a tepelnou vodivost, případně stejnou velikost částic, jsou-li vzorky práškové. Jako etalony se nejčastěji se používají Al 2 O 3, MgO a SiO 2 či některé čisté kovy. Rozdíly teplot se registrují současně s teplotou referenčního vzorku jako závislosti T = f (T), resp. T = f ( T) nebo ve formě časové závislosti T = f (t). Schéma zapojení termočlánků u DTA je na obr.3. Termoelektrické napětí mv (1) je úměrné teplotě etalonu a napětí mv (2) je úměrné rozdílu teplot. Obr.3: Schéma zapojení termočlánků u DTA Obr.4 schematicky zachycuje křivky ochlazování etalonu, resp. vzorku a příslušnou časovou závislost rozdílu teplot těchto materiálů. Obr.4: Odvození průběhu křivek DTA Polohy extrémů na křivkách DTA (maxim nebo minim charakterizujících exoprocesy nebo endoprocesy), umožňují látku nebo aktivní součást vzorku identifikovat a množství uvolněného nebo spotřebovaného tepla dovoluje činit kvantitativní závěry. Tato metoda je ve srovnání s klasickou termickou analýzou mnohem citlivější na probíhající fázové změny a lze ji použít i při studiu fázových přeměn v tuhém stavu. Moderní modifikaci této metody představuje DERIVAČNÍ DIFERENČNÍ TERMICKÁ ANALÝZA (DDTA). Její princip je shodný jako u předchozí metody, pouze se registruje časová derivace křivky DTA, tedy d( T)/dt = f (T) resp. d( T)/dt = f (t).

4 Některé procesy, například rozkladné reakce neprobíhají při konstantních teplotách a křivky DTA jsou charakterizovány postupným odkláněním od základní nulové linie, což ztěžuje přesné změření plochy píků a kvantitativní vyhodnocení. Na křivkách DDTA jsou i malé změny zřetelnější ve srovnání se záznamem DTA. Další dvě uváděné metodiky vychází z původního principu DTA. DVOJITÁ DIFERENČNÍ TERMICKÁ ANALÝZA (ddta) se používá spíše ojediněle a spočívá v tom, že se studovaný vzorek srovnává podobně jako při DTA s referenční látkou, která je ovšem částečně reaktivní. Účelem je kompenzace některých shodných procesů probíhajících při identických teplotách a tedy získání hladké základní linie, resp. eliminace některých efektů, čímž se zvýší rozlišovací schopnost pro jiné efekty, které jsou předmětem studia. Problémem je nalezení vhodné referenční látky, takže metoda vyžaduje náročné předběžné experimenty. DIFERENČNÍ KOMPENZAČNÍ KALORIMETRIE (DSC) vychází z původního principu DTA (obrácená DTA, entalpická TA, diferenční snímací analýza, diferenční výkonová analýza). Neměří se však diference teplot T, ale elektrická energie přídavného zdroje, potřebná k vyrovnání teplotních rozdílů mezi zahřívaným vzorkem a referenční látkou, tedy k udržení izotermních podmínek. V dalším textu následuje popis metod, které již nevycházejí z principu diferenční termické analýzy. TERMOGRAVIMETRIE (TG) je metoda, která umožňuje sledovat procesy spojené se změnou hmotnosti navážky vzorku buď při kontinuálním zvyšování teploty (dynamický způsob) nebo v izotermickém režimu (statický způsob). V prvním případě se sledují závislosti aktuální hmotnosti na teplotě nebo čase, tedy m = m (T), resp.m = m (t), tzv. termogravimetrické křivky. Příklad křivky ohřevu šťavelanu vápenatého je na obr.5. Z něj vyplývá možnost zjišťování teplot, resp. teplotních intervalů v nichž dochází k rozkladným reakcím. Obr.5: Termogram šťavelanu vápenatého Z velikosti hmotnostních změn m a příslušných teplotních intervalů lze opět soudit na složení, případně kvantitativní zastoupení určitých složek ve vzorku. V případě těsně následujících změn hmotnosti je výhodnější, analogicky jako u DTA, registrovat derivaci TG křivky, tedy dm/dt = f (T), čili derivační termogravimetrickou křivku (DTG) a tím docílit lepšího rozlišení. Izotermická gravimetrie sleduje závislost hmotnosti v čase při konstantní teplotě a umožňuje tak přímo sledovat kinetiku různých pochodů a reakcí. Další informace o množství a

5 vlastnostech plynných složek unikajících při rozkladu lze získat metodikou tzv. FRAKČNÍ TERMOGRAVIMETRIE. Plynné složky se nechají selektivně zkondenzovat nebo absorbovat a zahřívaný vzorek se váží spolu s kondenzačními a absorpčními nádobkami. Úbytek hmotnosti odpovídá jen nezkondenzovaným nebo neabsorbovaným součástem vzorku, jejichž množství lze po připojení dalšího zařízení určit jiným způsobem. TERMICKÁ DILATOMETRICKÁ ANALÝZA (TDA), dilatometrie je metodou pomocí které se sledují některé fyzikální nebo i chemické procesy, probíhající v rovnoměrně vyhřívaném vzorku, které jsou spojené se změnou délkové či objemové roztažnosti. Teploty charakteristické pro různé efekty lze odečítat na termodilatometrických křivkách, reprezentovaných závislostmi l/l = f (T), resp. V/V = f (T). Stejně jako v předchozích případech je názornější využití derivační termodilatometrické křivky (DTD), představující derivaci termodilatometrické křivky. EKLEKTROTERMICKÁ ANALÝZA (ETA) je velmi důležitou metodou, použitelnou i při studiu krystalizace. Elektrotermická analýza je založena na sledování závislosti elektrické vodivosti (nebo elektrického odporu) vzorku na teplotě. Tuhá a kapalná fáze mají různou elektrickou vodivost. Proto také dochází ke změně elektrické vodivosti systému při jeho krystalizaci, protože se mění podíl tuhé a kapalné fáze. Tuto metodu lze však použít i pro sledování změn ve struktuře tuhých látek (zjemňování struktury očkováním, modifikováním). Poslední uváděnou metodou je emanační termická analýza. EMANAČNÍ TERMICKÁ ANALÝZA (ETA) je založena na měření množství inertního plynu uvolňovaného při zahřívání tuhých látek, značených těmito plyny (Rn, Ne, Kr, Ar, Xe). Jejich atomy slouží jako stopové indikátory, které ovšem s látkou nereagují. Uvolňování z matrice je řízeno převážně difúzí. Metoda umožňuje sledovat procesy nedoprovázené změnou hmotnosti nebo entalpie a tedy nezjistitelné metodami uvedenými v předchozím textu. Interpretace křivek ochlazování Tvar křivky ochlazování závisí na celé řadě faktorů. Nejvýznamnější je chemické složení daného systému a tomu odpovídající tepelná kapacita, resp. tepelná vodivost daného materiálu a jeho okolí (kelímek, kokila), charakter slitiny vzhledem k stavovému diagramu soustavy, a dále rychlost ochlazování slitiny. V našich úvahách se omezíme pouze na binární diagram s nonvariantní eutektickou rovnováhou a idealizované průběhy ochlazovacích křivek. Na obr.6 je schematicky znázorněn stavový diagram s eutektickou rovnováhou. Jsou vyznačeny oblasti existence fází a barevně odlišeny charakteristické teploty slitin.

6 Obr.6: Binární stavový diagram s eutektickou rovnováhou Čistý kov, binární eutektikum či peritektikum krystalizuje při konstantní teplotě. To se na křivce ochlazování projeví tak, že se na ní objeví izotermická prodleva. U binárních slitin už je situace komplikovanější. Teplota počátku krystalizace binární slitiny se nazývá teplota likvidu (likvidus slitiny), teplota konce krystalizace se nazývá teplota solidu (solidus), viz obr.6. Závislost tvaru ochlazovací křivky na chemickém složení je patrná z obr.7. Obr.7: Vliv chemického složení systému na tvar ochlazovací křivky Křivka ochlazování kovu v teplotním intervalu bez fázové přeměny má přibližně exponenciální průběh. Počátek krystalizace slitiny se na křivce ochlazování projeví zlomem. Dosáhne-li teplota systému hodnoty odpovídající teplotě krystalizace binárního eutektika, na křivce ochlazování se to projeví izotermickou prodlevou. Z uvedených křivek ochlazování také vyplývá skutečnost, že čím více se přibližujeme eutektickému složení, tím delší eutektická prodleva se na křivce ochlazování projeví. Z pohledu na stavový diagram také vyplývá skutečnost, že existují dvojice slitin (jedna podeutektická a druhá nadeutektická) mající podobnou křivku ochlazování z hlediska polohy zlomu. Nelze tedy pouze na základě znalosti jedné křivky ochlazování určit složení slitiny. Je tedy nezbytné znát další doplňující údaje. Lze využít tzv. tempa krystalizace, které představuje závislost přírůstku hmotnosti vylučujících se krystalů při poklesu teploty o jeden stupeň. Stanovení tempa krystalizace je přístrojově i časově náročné a proto je mnohem snadnější využít některých jiných závislostí, např. hustoty slitin na složení. To je zvláště výhodné u binárních systémů, jejichž složky mají výrazně odlišnou hustotu. Závislost hustoty na složení není lineární (zpravidla dochází k objemové kontrakci), příklad je na obr.8.

7 Obr.8: Závislost hustoty slitin SnPb na obsahu olova (matematické vyjádření závislosti) Křivky ochlazování lze také výhodně interpretovat pomocí Gibbsova fázového pravidla. V našem případě se počet stupňů volnosti bude určovat podle vztahu: V = S - F + 1 (1) V...počet stupňů volnosti S...počet složek systému F...počet fází Obr.9: Určení stupňů volnosti systému Vztah (1) platí pro kondenzované systémy (neuvažuje se vliv tlaku) bez probíhajících chemických reakcí. V následující tabulce jsou obsaženy údaje pro výpočet počtu stupňů volnosti. Jednotlivé fázové oblasti jsou vyznačeny ve stavovém diagramu. Oblast čistý kov Počet složek 1 Počet fází 2 Počet stupňů volnosti 0 binární eutektikum či peritektikum I II III IV

8 Z uvedeného plyne, že čistý kov, binární eutektikum, resp. binární peritektikum má při teplotě fázové přeměny nula stupňů volnosti, což se projeví již zmiňovanou izotermickou prodlevou. V oblastech II dochází ke krystalizaci, slitiny mají jeden stupeň volnosti a nezávisle se tudíž může měnit pouze jeden intenzívní parametr, kterým je teplota. Proto probíhá primární krystalizace v určitém intervalu teplot. Dále se ještě zmíníme o Tammanově a Sauvernově diagramu, viz obr.10. Sauvernův diagram udává závislost podílu strukturních složek na chemickém složení. Diagramy se konstruují pro určitou teplotu a lze podle nich zjišťovat podíl eutektika či primárních krystalů ve struktuře slitiny. Tammanův diagram se konstruuje pro zjištění přesné polohy eutektického bodu. Vynáší se délka eutektické prodlevy slitin s různým složením v závislosti na složení. Tuto závislost reprezentují na horním obr.10 modré úsečky. Obr.10: Tammanův a Sauvernův diagram pro eutektický systém Reálné křivky ochlazování se od teoretických křivek odlišují především přítomností anomálií souvisejících s reálnou krystalizací fází, kde se uplatňují efekty jako podchlazení či rekalescence. Další informace o krystalizaci v reálných podmínkách se dozvíte v laboratorní práci Slévárenství. Metody měření teploty Na teplotě závisejí buď explicitně či implicitně hodnoty všech fyzikálních veličin. Proto existuje velká řada metodik měření teploty. V následujícím textu se zaměříme na shrnutí těch nejběžnějších a nejzákladnějších metod. Na principu změny roztažnosti materiálu s teplotou pracují klasické teploměry a bimetaly. Klasické teploměry mohou využívat roztažnosti jak látek plynných a kapalných tak látek tuhých. Další možností měření teploty je využití změny elektrického odporu s teplotou (tzv. odporové teploměry). K měření vysokých teplot se požívají tzv. optické pyrometry, které k měření teploty využívají záření, které vydává zahřáté těleso.

9 Mezi nejvýznamnější a nejčastější způsoby měření teploty patří měření pomocí termočlánků. Princip termočlánku je založen na existenci Seebeckova termoelektrického jevu. Než se dostaneme k měření teploty pomocí termočlánků zmíníme se jen velice stručně o termoelektrických jevech. Termoelektrické jevy Rozdíly teplot mezi jednotlivými částmi elektrického obvodu mají vliv na rozložení elektrického potenciálu a průtoku proudu. A naopak průtok proudu může způsobit vznik rozdílu teplot mezi některými částmi obvodu. U obvodů vytvořených z izotropních těles lze pozorovat tři termoelektrické jevy. - Seebeckův jev se pozoruje tehdy, je-li obvod tvořen alespoň ze dvou různých materiálů, na jejichž styku jsou různé teploty. Pak se v obvodě objeví termoelektrická síla, která závisí na rozdílu teplot obou spojů a na druhu materiálů. Vznik termoelektrické síly se navenek projeví vznikem termoelektrického napětí. Termoelektrické napětí lze naměřit u každých dvou různých materiálů, např. u dvou odlišných čistých kovů, u čistého kovu a slitiny, u dvou různých slitin a také u analogických kombinací materiálů v kapalném stavu. To je však záležitost spíše teoretická, protože je problémem udržet fázové rozhraní mezi danými materiály. Na principu Seebeckova jevu jsou založeny termočlánky. - Peltiérův jev je opak předchozího jevu. Elektrický proud, procházející obvodem vytvořeným ze dvou různých materiálů, způsobuje ohřívání jednoho a chlazení druhého spoje. Změna směru proudu vyvolává ochlazení spoje, který se dříve ohříval, a ohřátí spoje, jenž se dříve ochlazoval. - Thomsonův jev nastane tehdy, když elektrický proud prochází homogenním vodičem s nerovnoměrně rozloženou teplotou. Vodičem potom teče současně elektrický proud a tepelný tok. V částech obvodu, kde je směr proudu a tepla souhlasný, je množství uvolňovaného tepla větší než v částech, v nichž tepelný tok má opačný směr než proud elektrický. Velikost efektu závisí na materiálu vodiče a je úměrná rozdílu teplot. Měření teploty termočlánky Při měření teplot fázových přeměn se pro měření teploty používají nejčastěji termočlánky. Schéma zapojení termočlánku je na obr. 11. Aktivní konec termočlánku se nazývá horký (měřící). Druhý konec termočlánku (studený) je nutné udržovat na stálé teplotě. Výsledné termoelektrické napětí je dáno rozdílem napětí na horkém a studeném konci. V případě udržování studeného konce na konstantní teplotě bude výsledné termoelektrické napětí úměrné pouze teplotě na měřícím konci. Teplota studeného konce termočlánku bývá obvykle udržována na 0 o C, 20 o C, 25 o C, případně 50 o C a to vhodným termostatem nebo elektronicky. Protože se často používají termočlánky z drahých kovů a bývá obvyklé měřit teploty "na dlouhou vzdálenost" od místa kde se měření vyhodnocuje, je nutné nahradit část drahých termočlánkových materiálů levnějšími. Od svorkovnice až k termostatu je vloženo tzv. kompenzační vedení, jak je patrné z obr.11. Na cestě od svorkovnice až k termostatu dlouhé někdy desítky metrů však nebývá konstantní teplota. Aby výsledné termoelektrické napětí termočlánku nebylo ovlivněno kolísáním teploty kompenzačního vedení je nutné, aby termoelektrické chování materiálu kompenzačního vedení bylo zhruba do teploty 100 C (za předpokladu, že po celé délce kompenzačního vedení nedojde k překročení této teploty) shodné s materiály termočlánku.

10 Obr.11: Schéma zapojení termočlánku Závislost termoelektrického napětí termočlánku však není lineární, obecně jí lze vyjádřit polynomickým rozvojem, a proto se jako termočlánky vybírají ty dvojice materiálů, které: mají závislost termoelektrického napětí na teplotě v daném intervalu teplot co nejlineárnější mají co nejvyšší termoelektrické napětí jsou fyzikálně stabilní a odolné v daném pracovním prostředí dají se zpracovat na drát potřebných rozměrů Obr.12 ukazuje závislost termoelektrického napětí na teplotě u nejběžněji využívaných termočlánků. Vyplývá z něj například, že nejlineárnějším průběhem se vyznačuje termočlánek NiCr10-Ni, nejvyšší termoelektrické napětí poskytuje termočlánek Fe-CuNi45, ale lze ho použít jen při nízkých teplotách. Termočlánek PtRh10-Pt poskytuje sice nejnižší termoelektrické napětí (k měření je nutné používat citlivější milivoltmetry), zato je však chemicky stabilní (neoxiduje se) a proto je použitelný i při vysokých teplotách.

11 Obr. 12: Přehled vybraných termočlánků Vzhledem k vedení tepla má být termočlánek co nejtenčí. Tloušťka termočlánkových drátů je však omezena jejich trvanlivostí - u ušlechtilých kovů bývá průměr drátů 0,1-0,6 mm, u neušlechtilých kovů 0,5-4,0 mm. S ohledem na vedení tepla má být také vhodně upravena délka termočlánku. Vodivé spojení (svar) měrného konce musí být provedeno pečlivě, protože na něm závisí kvalita vyrobeného termočlánku. Proti mechanickému a chemickému poškození je nutné termočlánek chránit keramickým nebo kovovým obalem, což má však za následek pomalejší odezvu termočlánku na změny teploty. Schematické znázornění chyb při měření termočlánkem je na obr.13. Po vložení termočlánku do místa měření dojde díky odvodu tepla termočlánkem k poklesu teploty v daném místě (modrá čára). Po vložení termočlánku do měřeného místa postupně dochází k jeho ohřevu z laboratorní teploty. Skutečné teplotě se také postupně přibližuje také údaj na ukazateli teploty (červená čára). Každý termočlánek je nutné cejchovat. To se provádí buď kontrolním měřením teplot fázových přeměn různých čistých kovů nebo některých sloučenin. Dále následuje uvedena stručná charakteristika vybraných termočlánků. Obr.13: Znázornění chyb při měření termočlánkem

12 Charakteristika nejdůležitějších termočlánků Rozdělení běžných typů termočlánků Termočlánek Cu - CuNi45 Ag - CuNi45 Použitelnost C C NiCr10 - CuNi45 do 800 C Fe - CuNi45 do 800 C NiCr10 - Ni do C Pt - PtRe8 do C Pt - PtRh10 do C Pt - PtRh30 do C AuPd46Pt2 - PtRh10 do C PtRh10 - PtRh6 do C WRe3 - WRe25 do C W - WMo25 do C CuNi45 NiCr10 AuPd46Pt2 Vysvětlivky konstantan niklchrom pallaplat V praxi se nejčastěji používají tyto tři typy termočlánků: T ermočlánek PtRh10 (platinarhodium) - Pt Je nejčastěji používaným termočlánkem. Je vysoce stálý. Dlouhodobě se používá do 1300 o C, krátkodobě až do 1600 o C. Produkuje nízké termoelektrické napětí, proto vyžaduje citlivější zařízení pro přesné měření, které nelze používat v provozním měřítku. Používá se jako laboratorní termočlánek nebo k cejchování jiných termočlánků. T ermočlánek NiCr10 (niklc hrom) - Ni Je nejčastěji používaným termočlánkem v průmyslu. Je levný, produkuje relativně vysoké termoelektrické napětí, a proto je možné použití méně citlivých přístrojů pro jeho měření. Trvale se používá do 900 o C, krátkodobě až do 1200 o C. Při teplotách nad 800 o C dochází v důsledku oxidace k trvalému zvýšení termoelektrického napětí asi o 1-2 % pro teploty o C.

13 T ermočlánek Fe-CuNi45 (konsta ntan) Tento termočlánek se v průmyslu rovněž velmi často používá, je ho však možno použít pouze do teploty 600 o C. Termoelektrické napětí je jen o málo větší než u termočlánku NiCr10 - Ni. Stanovení hustoty slitin - návod Hustota je jednou ze základních materiálových charakteristik. Její velikost je ovlivňována jednak chemickým složením, ale také vnitřními poruchami zejména makroskopickými (staženiny, vnitřní póry, plynové bubliny) běžně se využívá celá řada experimentálních metod stanovení hustoty, ale ve slévárenské praxi je nejvíce rozšířena metoda, založená na využití Archimédova zákona. Experimentální uspořádání Metoda je založena na trojím vážení, jak je patrné z obr.1. Nejprve se zváží systém tvořený kádinkou naplněnou vodou s ponořeným závěsným drátkem (stanoví se hmotnost M 1 ). Ve druhém kroku se do závěsného drátku uchytí vzorek a provede se 2. vážení (stanoví se hmotnost M 2 ). V posledním kroku je nutné vzorek opatrně uvolnit ze závěsného drátku a provést 3. vážení pro zjištění hmotnosti M 3. Obr.1 : Princip měření hustoty trojím vážením Cílem trojího vážení je stanovení objemu tělesa vzorku. Z tohoto údaje a ze znalosti hmotnosti vzorku lze již pak snadno určit relativní hustotu. Lze odvodit následující vztah pro výpočet relativní hustoty : kde rel. značí relativní hustotu tělesa vzorku, vzorku značí hustotu vzorku a analogicky kapaliny znamená hustotu kapaliny (vody). K určení absolutní hustoty tělesa vzorku je nyní už jen třeba zjištěnou relativní hustotu tělesa vynásobit hustotou kapaliny při dané pracovní teplotě podle vztahu:

14 Protože hustota kapaliny závisí na teplotě, je nutné na konci vážení změřit teplotu teploměrem a k výpočtu použít hustotu kapaliny pro tuto pracovní teplotu. V následující tabulce je uvedena hustota vody v závislosti na teplotě. Tabulka I.: Závislost hustoty vody na teplotě Teplota [ C] Hustota [g.cm -3 ] Teplota [ C] Hustota [g.cm- 3 ] Teplota [ C] Hustota [g.cm- 3 ] 0 0, , , , ,5 0, ,5 0, , , , ,5 0, ,5 0, ,5 0, , , , ,5 0, ,5 0, ,5 0, , , , ,5 0, ,5 0, ,5 0, , , , ,5 0, ,5 0, ,5 0, , , , ,5 0, ,5 0, , Ilustrační snímky:

15 první vážení druhé vážení třetí vážení Termická analýza - zadání Cíl práce Sestrojte zadanou část systému Sn - Pb a určete složení neznámého vzorku. Potřebná zařízení a materiál čisté Pb, čistý Sn, vzorky slitin SnPb s odstupňovaným obsahem Pb, grafitový kelímek, keramická tyčinka, laboratorní odporová kelímková pec, zapisovač, regulátor teploty, digitální ukazatel teploty, termočlánek NiCr10 - Ni, kovová forma pro odlévání, kádinka s vodou, teploměr, váhy,... Ilustrační snímky: grafitový kelímek kelímková pec zapisovač

16 regulátor teploty ukazatel teploty kovová odlévací forma kelímek s termočlánkem v kelímkové peci celkový pohled na pracovní plochu Postup práce 1. Proveďte kalibraci termočlánku NiCr-Ni pomocí zadaných standardů (čistý Sn, čisté Pb). 2. Zkontrolujte měřící zařízení (viz celkový pohled na pracovní plochu) a proveďte termickou analýzu zadaných slitin. 3. Na základě zjištěných ochlazovacích křivek sestrojte stavový diagram systému Sn-Pb. Vzorky použitých slitin odlejte do kovové formy. 4. Stanovte hustoty zadaných slitin a sestrojte graf závislosti hustoty slitin SnPb na obsahu Pb. 5. Proveďte termickou analýzu neznámého vzorku a pomocí experimentálně zjištěného stavového diagramu určete jeho složení. 6. Výsledek získaný na základě termické analýzy ověřte také změřením hustoty. Protokol obsahuje stručný popis zadání, stručný popis práce, výsledky experimentu ve formě přehledných tabulek, příklady výpočtů, závěr (stručné zhodnocení naměřených hodnot a charakteristika zhotovených grafů, složení neznámých vzorků, atd...) Poznámka Po skončení laboratorní práce, prosíme, uveďte laboratorní stůl do původního stavu, odevzdejte vzorky a vraťte zapůjčené pomůcky.

17