Definition
Die Wärmekapazität (englisch: Heat Capacity) ist eine thermodynamische Stoffeigenschaft, die angibt, welche Wärmemenge erforderlich ist, um die Temperatur eines Stoffes um ein Kelvin zu erhöhen. Die spezifische Wärmekapazität cp bezieht diese Größe auf die Masse.
Kernaussage: Kunststoffe haben eine höhere spezifische Wärmekapazität (1,0-2,5 kJ/kgK) als Metalle (0,4-0,9 kJ/kgK). Dies beeinflusst Aufheiz- und Abkühlzeiten bei der Verarbeitung und im Einsatz erheblich.
Normen und Standards
| Norm | Anwendungsbereich |
|---|---|
| DIN EN ISO 11357-4 | Kunststoffe - DSC - Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität |
| ASTM E1269 | Spezifische Wärmekapazität mittels DSC |
| DIN 51007 | Thermische Analyse - DSC Allgemein |
Physikalische Grundlagen
Definition: cp = Q / (m × ΔT)
Einheit: cp [J/(g·K)] oder [kJ/(kg·K)]
Umrechnung: 1 cal/(g·K) = 4,186 J/(g·K)
Einheit: cp [J/(g·K)] oder [kJ/(kg·K)]
Umrechnung: 1 cal/(g·K) = 4,186 J/(g·K)
Molekulare Interpretation
- Translations-/Rotationsbewegung: Beitrag zur Wärmekapazität von Kettensegmenten
- Schwingungsfreiheitsgrade: Anregung von Molekülschwingungen
- Glasübergang: Sprunghafte Änderung von cp bei Tg
- Schmelzen: Zusätzliche Enthalpie für Kristallitschmelze
Typische Werte für Kunststoffe
| Werkstoff | cp bei 25°C [J/(g·K)] | Bemerkung |
|---|---|---|
| PE-HD | 1,8-2,3 | Teilkristallin |
| PE-LD | 2,1-2,5 | Niedrigere Kristallinität |
| PP | 1,7-2,0 | Teilkristallin |
| PS | 1,2-1,4 | Amorph |
| PVC | 0,9-1,1 | Hohe Dichte |
| PMMA | 1,4-1,5 | Amorph |
| PA 6 | 1,6-1,8 | Teilkristallin |
| PC | 1,1-1,3 | Amorph |
| PEEK | 1,3-1,4 | Hochleistungspolymer |
Prüfverfahren
DSC-Methode (Differential Scanning Calorimetry)
- Prinzip: Vergleich der Wärmeströme von Probe und Referenz
- Kalibrierung: Mit Saphir-Standard bekannter Wärmekapazität
- Heizrate: Typisch 10-20 K/min
- Probenmasse: 5-20 mg
Dreischritt-Methode
- Messung 1: Leere Tiegel (Basislinie)
- Messung 2: Saphir-Referenz
- Messung 3: Probe
- Berechnung von cp aus den drei Kurven
Temperaturabhängigkeit
- Unterhalb Tg: Langsamer, annähernd linearer Anstieg
- Bei Tg: Sprunghafter Anstieg um 0,3-0,5 J/(g·K)
- Oberhalb Tg: Weiterer Anstieg, höhere Molekülmobilität
- Beim Schmelzen: Zusätzliche Schmelzenthalpie überlagert
Anwendungsbereiche
- Verarbeitungssimulation: Spritzgießsimulation, Extrusionsberechnung
- Energiebilanz: Heiz- und Kühlleistungsberechnung
- Wärmespeicher: Phase Change Materials (PCM)
- Thermisches Design: Auslegung von Kühlsystemen