JPS5925975B2 - 熱容量測定法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 試料に熱線を瞬間的に照射して、該試料の温度上昇を観
測することにより、熱の伝導率と熱容量および熱の拡散
率を測定することができる。

この方法はパーカー（Ｐａｒｋｅｒ）らによつて提案さ
れたもので、熱の三定数測定法として知られている。す
なわち熱線を照射した時刻からの時間をと試料の裏面の
温度上昇Ｔとの関係を記録すると原理的には第１図Ａの
ような曲線が得られる。この曲線が最大値Ｔｍの１乃に
達する時間ｔｘと試料の厚みとによつて熱の拡散率が算
出され、また上記最大値Ｔｍを熱容量が既知の標準試料
における同様の値と比較することによつて熱容量が求め
られる。更にその熱容量と試料の密度とから熱の伝導率
を算出し得るものである。この方法は熱容量等を測定す
る他の方法に比較して極めて小さい試料を用いることが
できると共に低温から高温まで広い温度範囲に亘つて測
定を行い得る等の特長がある。しかし従来は試料の温度
変化を直接検出していたから、外界の温度変化の影響を
受けて試料の温度上昇を正確に検出し得ないと共に試料
の熱損失によつて実際は第１図Ｂのような曲線が観測さ
れて、この曲線の形状が試料の性質、雰囲気、温度差に
影響されるから温度上昇の最大値Ｔｍを正確に求めるこ
とができなかつた。このため断熱法のような他の測定法
に比較して精度が劣る欠点があつた。本発明は熱浴を用
いると共に外挿法によつて最大温度上昇の理論値を求め
ることによシ上述の欠点を除去したもので、以下これに
ついて詳細に説明する。第２図は本発明の方法を実施す
る装置の一部の縦断面並びに構成を示した図で、図示し
てないが遮蔽筒１を耐熱ガラス容器に入れてその中を真
空に排気し、かつ該容器を電気炉または液体窒素のよう
な冷媒の中に吊下する。

この遮蔽筒１の中に銅のような熱伝導が良好でかつ熱容
量も大きい物質で作られた円筒状の熱浴２を設置し、そ
の外側にヒータ３を巻回して電源４に接続してある。ま
た上記熱浴２に添着した熱電対５の出力を制御器６に加
えて、該出力が所望の参照電圧と等しくなるように電源
４を制御してあるから、参照電圧の調整によつて熱浴２
が所望の一定温度を保持する。この熱浴２の内部に石英
ピック等でホルダー８に支持された例えば板状の試料９
を設置して、試料９と熱浴２との間に出来るだけ熱伝導
を生じないように該試料を熱浴で包囲してある。かつ試
料９の上面には真空グリース等でカーボン等の薄板１０
を添着して、照射された熱線を出来るだけ吸収すると共
にその吸収量が試料の表面状態によつて変化しないよう
にしてある。更に熱浴２の内側には補助筒１１を嵌合し
て試料に｝ける熱の安定性を向上し、かつ示差熱電対の
接点１２訃よび１３を試料９の下面並びに熱浴２に添着
して、その両端をデジタルボルトメータ１４に接続して
ある。このボルトメータ１４の出力を電算器１５に接続
し、該電算機にＸＹプロツタ１６並びにプリンタ１７を
接続すると共に熱浴２に添着した他の熱電対１８に測温
計１９を接続してある。また遮蔽筒１の上部開口と対向
するように熱線に対して半透明の反射板２０およびアパ
ーチヤ２１を設けて、該反射板の側部にエネルギ検出器
２２を設けその出力を積算器２３に加えてある。なお図
面では省略してあるが各熱電対線は、これを熱浴２の下
部に形成したアンカー２４に数回巻回して接点温度の安
定化を計つてある。上述の装置に訃いて、アパーチヤ２
１の上方から点線の矢印で示したように例えばレーザ光
源によつて放射される平行光線を数ミリ秒の短時間だけ
照射する。

この光線の一部は反射板２０で反射してエネルギ検出器
２１で検出され、積算器２３によつてその熱線エネルギ
の積算値が測定される。また上記光線の一部は反射板２
０を透過して該光線に含まれる熱線が試料９に吸収され
る。従つて試料９に温度上昇を生じて、その温度は熱線
の照射から僅かの時間遅れをもつて極大値に達し、その
後は主として輻射熱の放散によ）温度が徐々に下降する
。かつ熱容量の大きい熱浴２はその間安定に一定の温度
を保持するから、接点１２，１３よりなる示差熱電対の
出力を加えられたデジタルボルトメータ１４は第１図に
曲線Ｘで示したような出力を送出して電算機１５に加え
る。この曲線に訃いて、横軸は時間、縦軸は試料と熱浴
との温度差であるが、その温度の下降部分は試料から熱
浴に向つて熱の輻射が行われることによるものであ楓か
つ熱浴は前述のように一定の温度を保持するから、該曲
線は明らかに指数函数曲線を形成する。従つてこの曲線
を延長して熱線の照射時刻に｝ける値を求めると、その
値は温度上昇に時間遅れを生じないものと仮定した場合
に卦ける試料と熱浴との間の温度差の最大値であつて、
第１図に曲線Ａで示したように熱放散が無い場合の最大
値Ｔｍと一致する。すなわち熱線の照射によつて温度上
昇を生じた試料から単位時間に失われる熱量ＤＱ／Ｄｔ
は試料と熱浴２との温度差Ｔに比例するから、その比例
定数をｈとするとが成立する。

また熱量Ｑと上記温度差Ｔとの比Ｑ／Ｔは比熱と質量と
の積である全熱容量Ｃとして定義されるからが成立する
。

従つて上記２式からが得られる。

この式の解はよく知られているように、積分定数をＰと
するとＬ であつて、この（１）式は試料と熱浴との温度差Ｔが指
数函数曲線を形成することを示している。

かつ熱線照射時に訃ける上記温度差Ｔを前述のようにＴ
ｍとすると、時間ｔをＯと置くことによジＴｍ＝Ｐとな
るから と書くことができる。

この式はｔ＝ｏの熱線照射時に｝ける仮想的温度差Ｔｍ
が試料と熱浴との最大の温度差であることを示している
。更に上記（２）式の両辺の自然対数をとるととなる。

このように各時刻に｝ける試料と熱浴との温度差Ｔの対
数は１本の直線を画くから、電算機１５に｝いてはデジ
タルボルトメータ１４の出力を適当な時間間隔でサンプ
リングし、その自然対数をとつて記憶すると共にこれを
ＸＹプロツタ１６に加えて記録させる。その記録曲線の
直線範囲を求めて電算機１５に指令を与え、該電算機に
より最小二乗法を用いて更に正確な直線を算出し、外挿
法によ幻時間ｔがＯのときの仮想的温度差Ｔｍを求めて
プリンタ１７に記録する。また積算器２３は試料９に照
射された熱線量に比例した値を示すから、予め既知の試
料によつて求めた比例定数を用いて、上記熱線量Ｑｍを
算出することができる。試料の熱容量Ｃと、前記温度差
Ｔｍ、熱線量Ｑｍ｝よび試料の質量ｍとの間にはの関係
があるから、プリンタに記録された温度差Ｔｍによつて
、熱容量Ｃを容易に算出することができる。

以上実施例について説明したように本発明は、試料に熱
線を照射して、試料と熱浴との温度差が極大値に達した
のち下降する部分が指数函数曲線となることを利用して
、外挿法によジ温度上昇の理論的極大値を求めるもので
、このため試料の熱損失にもとづく誤差を防止すること
ができる。

かつ熱浴を設けて、この熱浴と試料との温度差を観測す
るから、試料の周辺の温度が正確に一定に保たれて、前
述の下降曲線が正確に指数函数曲線を形成し、このため
試料の熱容量を正確に求めることができる。なお前述の
ような装置を用いて第１図の曲線Ｘを観測し、試料の温
度がＴｍ／２に達する時間Ｔｘを求めるときは、試料の
厚みをｅとするとき、熱拡散率αが！！〜 で与えられる。

従つてこの熱拡散率αと前述のようにして求めた熱容量
Ｃ、並びに試料の密度ｄから熱伝導率ＫはＫ＝α・Ｃ−
ｄ によつて求められる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理を説明するための曲線、第２図は
本発明の方法を実施するための装置の一例である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 熱容量を測定しようとする試料を熱伝導が良好でか
   つ熱容量の大きい熱浴によつてそれらの間に熱の伝導を
   生じないように包囲し、上記試料に既知のエネルギの熱
   線を瞬間的に照射すると同時に試料と熱浴との間の温度
   差を連続的に観測して、上記温度差が減少する過程にお
   ける時間と温度差との関係から外挿法によつて求めた熱
   線照射時刻における仮想的温度差と試料の質量および前
   記既知のエネルギとから試料の熱容量を算出することを
   特徴とする熱容量測定法。