1. Thermische Analyse

Prozesstechnik-Übung
Wintersemester 2008-2009
Thermische Analyse
1
Versuchsziel
Es ist das Phasendiagramm des Systems Naphthalin/Biphenyl durch thermische Analyse zu bestimmen.
2
Theoretische Grundlagen
Phasendiagramme
Phasendiagramme bzw. Zustandsdiagramme geben eine graphische Darstellung aller möglichen
Zustandsänderungen von Phasen und Gefügen bei Stoffgemischen und Legierungen in Abhängigkeit von Temperatur T und Konzentration c. Dabei wird ein konstanter Druck p (Normaldruck
p ≈ 1 bar) angenommen. [1]
Je nachdem, ob es sich um zwei, drei, vier usw. Komponenten handelt, spricht man von binären,
ternären, quaternären usw. Zustandsdiagrammen.
Abbildung 1: Phasendiagramm mit völliger Löslichkeit im flüssigen und festen Zustand [2]
Die Zustandsänderungen werden im thermodynamischen System untersucht. Wichtig ist hierbei
langsames Abkühlen aus der Schmelze, so dass sich bei jeder Temperatur das thermodynamische
Gleichgewicht einstellen kann.
Thermische Analyse
Die thermische Analyse dient zur Untersuchung von Legierungen, z.B. zum Erstellen von Zustandsschaubildern. Mit ihr können die Änderungen des Wärmeinhalts einer Mischung bzw. Legierung, während der Erhitzung und/oder Abkühlung, erfasst und dargestellt werden. Mit einem
Thermoelement wird die Änderung der Temperatur über die Zeit aufgezeichnet.
Ändert sich der Zustand einer Legierung, indem eine neue Phase ausgeschieden wird, dann wird
Wärme frei (Abkühlen) oder gebunden (Aufheizen). Die Wärme entsteht durch die Kristallisation,
die z.B. beim Abkühlen freigesetzt wird. D.h. der Ordnungszustand im System Metall wird erhöht,
die Entropie im System Metall sinkt, folglich muss Energie in Form von Wärme an die Umgebung
abgegeben werden. Für eine Phasenänderung ergeben sich folgende charakteristische Unstetigkeiten im Temperatur-Zeit-Verlauf:
•
Haltepunkte (Plateau): Die Temperatur bleibt zur vollständigen Phasenänderung konstant. Die
Umwandlung steht im nonvarianten Gleichgewicht, d.h. der Freiheitsgrad ist F = 0. Haltepunkte
kommen bei der Umwandlung von reinen Metallen sowie der eutektischen, eutektoiden, peritektischen und peritektoiden Umwandlung von Legierungen vor.
•
Knickpunkte: Diese sind typisch für Umwandlungen im Bereich Schmelze-Feststoff. Der Freiheitsgrad ist F = 1, weil sich T verändert. (siehe auch Abbildung 2)
Abbildung 2: Abkühlkurven verschiedener Mischungen eines eutektischen Phasendiagramms
3
Versuchsdurchführung
3.1
Aufnahme der Abkühlkurven
a) Probenherstellung:
Die Mischungen müssen entsprechend Tabelle 1 abgewogen und mit je einem Rührfisch in
Reagenzgläser gefüllt werden.
Tabelle 1: Zusammensetzung der Proben
Proben-Nr.
1
2
3
4
5
6
7
Naphthalin
m [g]
Biphenyl
m [g]
4,00
3,00
2,00
1,78
1,20
1,00
0,00
0,00
1,50
2,00
2,67
2,80
3,10
4,00
b) Schmelzen:
Erhitzen Sie die Mischungen in einem über dem Bunsenbrenner erhitzten Wasserbad. Der
Magnet-Rührer sorgt dabei für eine gute Durchmischung
c) Temperaturmessung
Während des Abkühlens an Luft soll aller 10 Sekunden die Temperatur der Mischung notiert werden (bis eine Temperatur von 30 °C erreicht wird).
3.2
Auswertung
a) Ermitteln Sie die Schmelzpunkte der reinen Substanzen und vergleichen sie mit Literaturwerten.
b) Berechnen Sie den Molenbruch für die Massemischungen.
c) Konstruieren Sie das Phasendiagramm aus allen Halte- bzw. Knickpunkten.
Beim Erstarren der Schmelzen kommt es trotz langsamen Abkühlens und guter Durchmischung in
der Regel zur Unterkühlung der Schmelze (s. Abbildung 3). Daher muss die Erstarrungstemperatur
durch eine geeignete Extrapolation ermittelt werden.
T
a)
b)
T
t
t
Abbildung 3: Ermittlung der Erstarrungstemperatur an a) einem Haltepunkt b) einem Knickpunkt
4
[1]
[2]
Literatur
Bargel, Schulze: Werkstoffkunde, 2. Auflage (1980) Schroedel Verlag KG, Hannover
TU Clausthal, Institut f. Phys. Chemie: Skript Thermische Analyse,
www.pc.tu-clausthal.de/fileadmin/homes/praktikum/05-THERMISCHE- ANALYSE.pdf
(letzter Zugriff: 20.01.2009)
Weitere Quellen:
•
Predel: Phase Diagrams and Heterogeneous Equilibria, Springer Verlag, Berlin (ISBN: 978-3540-14011-5)
•
Gottstein: Physikalische Grundlagen der Materialkunde, Springer Verlag, Berlin (ISBN: 3-54041961-6)
•
Hornbogen: Werkstoffe, Springer Verlag, Berlin (ISBN: 3-450-71857-4)
5
Anhang
Zeit
[min:s]
0:10
0:20
0:30
0:40
0:50
1:00
1:10
1:20
1:30
1:40
1:50
2:00
2:10
2:20
2:30
2:40
2:50
3:00
3:10
3:20
3:30
3:40
3:50
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1
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5
6
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