자유낙하 시 열적거동을 볼 수 있는 Drop 열량계 소개
 
 
 

Introduction

자유낙하 시에 발생하는 순간열량변화를 측정하는 Drop Calorimeter는 열량 측정에 대한 새로운 기술의 하나이며, 대부분의 고온 열용량 측정 시에 이 분석법이 응용되고 있다. 여러 방식의 Drop calorimeter가 있지만, 이번 뉴스레터에서는 주어진 온도 조건에서 기기 외부로 부터 가열로 내부의 vassel로 낙하시키는 방식에 한해서만 기본 원리, 각각의 운용모드, 그에 따른 응용에 대해서 소개한다.

Principle and operation modes

정해진 온도로 가열된 작은 시료를 기기 외부로부터 급속도로 기기 내부에 놓여진 vessel로 낙하시키는 방식이며, 이때 시료가 지나가는 경로는 calorimeter block과 그 외부에 가열로로 감싸져 있다.
또한 두 가지 측정 모드가 가능하나, 본 뉴스레터에서는 Direct drop calorimetry만을 소개한다.

1) Direct drop calorimetry (figure 1)
외부(온도 T1)에 놓여진 샘플을 내부(온도 T2)의 vessel로 낙하 시켜, T1에서 T2까지의 온도 구간에서의 총 열량을 측정한다.
또한 다음의 응용이 가능하다.

- 열용량 측정
온도변화 구간(T1->T2)에서 시료가 변태 또는 반응을 하지 않는다면, 엔탈피 변화량(식1)에 대한 식이 얻어 진다.

이 경우 온도 변화에 따른 heat variation을 측정 하기 위해 다양한 온도조건에서 여러 차례의 시험이 필요하며, 또한 그래프의 온도에 따른 미분을 통해 열용량의 변화에 대한 데이터를 얻을 수 있다. 아울러 Cp의 평균값 계산이 가능하다.

- 반응엔탈피 측정
만약 온도 구간(T1->T2)에서 시료가 상변태 또는 반응을 한다면, 측정된 열량은 변태(또는 반응) 전후의 열용량의 변화를 및 반응열을 갖을 것이다.

반응열을 구하기 위해 반응 전과 후의 Cp 변화가 측정이 되어야 하며, 그래프의 차이는 열량 차이를 알게 한다.

- 점화에 의한 반응 측정(합성 반응)
예를 들어 테르밋반응(알루미늄과 산화철의 합금반응)과 같은 특정 반응은 고온의 반응온도와 높은 승온율이 요구된다. 이 경우 합금반응에 의한 열량 측정의 가장 빠른 방법이 두 반응물을 포함하는 펠렛 시료를 drop calorimetry method를 이용하여 측정하는 것이다.

합금 반응의 반응열을 측정하기 위해 순수한 A 와 B성분을 이용하여야 하며,는 성분A의 용융열이다.

The drop calorimetric detector

Drop calorimeter가 갖추어야 할 요건은 대용량 샘플의 수용 가능, 수직원통형의 검측센서 구조, 두 개(sample & reference)의 crucible응용 가능여부이다.

SETARAM사의 Drop Calorimeter(Model : MHTC96 Drop, Figure 3)은 사용용적 5.3 cm3 의 대용량이며, thermocouple의 타입에 따라 최대사용온도는 1300 또는 1500’C가 가능하다. 고유의 측정챔버 및 calorimer센서 방식으로 최상의 감도와 양질의 데이터를 제공한다. 또한 함께 제공되는 대용량 crucible은 한번에 많은 양의 시료의 반복시험이 가능케 하며, 검교정은 사파이어와 같은 열용량을 알고 있는 standard sample을 이용한다.