Caracterización térmica de solidos mediante la técnica fotoacústica con normalización usando muestras líquidas

Abstract

RESUMEN: El desarrollo de metodologías para la medición de la capacidad calorífica específica de sólidos es un tema de importancia debido a la sensibilidad de este parámetro a defectos estructurales, dopaje, cambios de temperatura, entre otros. Entre los métodos reportados en la literatura la técnica fotoacústica ofrece varias ventajas como el pequeño volumen de muestra necesario para una medición, los pequeños cambios de temperatura involucrados en la misma, la relativa sencillez de la técnica y de sus fundamentos teóricos, y el bajo costo de su implementación. En este trabajo de Tesis se propone un método para la medición de este parámetro en una configuración de transmisión de calor que utiliza una muestra líquida como referencia y de un procedimiento de normalización. Su validez para la caracterización de materiales sólidos opacos a la radiación óptica utilizada para la excitación de ondas térmicas es demostrada con mediciones realizadas en muestras patrón (de propiedades térmicas conocidas) y sus ventajas con respecto de otros métodos fotoacústicos reportados previamente, son analizadas. En el caso de materiales transparentes se propuso una configuración que implica metalizar una de las superficies de la muestra. Mediciones preliminares realizadas en muestras de vidrio mostraron un comportamiento anómalo de la dependencia de la amplitud normalizada respecto a la frecuencia de modulación, el cual fue explicado usando un modelo de interferencia de ondas térmicas.

ABSTRACT: The development of methodologies for the measurement of the specific heat capacity of solids is a subject of great importance due to the sensitivity of this parameter to structural defects, doping, and temperature changes, among others. Among the methods reported in the literature the photoacoustic technique offers several advantages such as the small sample volume required for a measurement, the small temperature changes involved, the relative simplicity of the technique and of its theoretical foundations and the low cost of its implementation. This thesis proposes a method for the measurement of this parameter in a heat transmission configuration that uses a liquid as a reference sample and a normalization procedure. Its validity for the characterization of solid samples that are opaque to the optical radiation used for thermal wave excitation is demonstrated with measurements performed on test samples (with known thermal properties), and its advantages over previously reported photoacoustic methods are discussed. In the case of transparent materials a configuration is proposed that involves a metalized sample’s surface. Preliminary measurements in glass samples showed an abnormal behavior of the dependence of the normalized signal amplitude on the modulation frequency, which was explained using a thermal wave interference model.