Phân tích nhiệt

Trường đại học bách khoa hà nội
viện đào tạo và bồi dưỡng sau đại học
viện vật lý kỹ thuật.

Báo cáo môn:
Các phương pháp phổ trong phân tích và đo lường vật lý.


Học viên : Vũ Đình Phước.
Lớp : Vật lý kỹ thuật.
Khoá : 2006 - 2008.
Thầy hướng dẫn : TS. Nguyễn Ngọc Trung.
Đề tài:

Các phương pháp phân tích nhiệt.


Nội dung báo cáo:
I/ Phương pháp phân tích nhiệt là gì?
II/ Cơ sở vật lý của phương pháp.
III/ Phân tích nhiệt vi sai (DTA)
IV/ Quét nhiệt vi sai (DSC).
V/ Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA).
I/ Phương Pháp phân tích nhiệt là gì?
Phân tích nhiệt là phương pháp phân tích mà trong đó, các tính chất vật lý, hoá học của mẫu, đo một cách liên tục như là những hàm của nhiệt độ ( nhiệt độ được thay đổi có quy luật). Trên cơ sở lý thuyết về nhiệt động học, từ sự thay đổi các tính chất đó ta có thể xác định được các thông số yêu cầu của việc phân tích.
Các tính chất được xác định như: Nhiệt độ chuyển pha, khối lượng mất đi, biến đổi về kích thước.
Trong phần này ta đi tìm hiểu các phương pháp chính sau:
- Phân tích nhiệt vi sai (DTA).
- Quét nhiệt vi sai (DSC).
- Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA).
Dựa vào phương pháp này ta có thể: Kiểm nghiệm sản phẩm, phân tích thành phần,.
II/ Cơ sở vật lý của phương pháp.
Kỹ thuật phân tích nhiệt dựa trên nguyên lý về nhiệt động học.
Khi có độ chênh lệch về độ lớn, nhiệt độ sẽ chuyển từ nơi này sang nơi khác và khi đó làm cho các đại lượng vật lý khác như năng lượng chuyển pha , độ nhớt, entropy, . cũng thay đổi.

*Mối quan hệ giữa nhiệt độ và nhiệt lượng:

Trong đó C là nhiệt dung phụ thuộc vào bản chất khối vật liệu.
* Entropy là một đại lượng gắn bó chặt chẽ với năng lượng và nhiệt độ của hệ trong các quá trình thay đổi trạng thái.
* Vật chất thường tồn tại ở ba trạng thái: Rắn, lỏng, khí. Trong đó hiện tượng chuyển pha là hiện tượng rất quan trọng.
III/ Phân tích nhiệt vi sai (DTA).
1/ Cơ sở và tính năng của phương pháp.
Phân tích nhiệt vi sai dựa trên việc thay đổi nhiệt độ của mẫu đo và mẫu chuẩn và được xem như là một hàm của nhiệt độ mẫu.
Các tính chất của mẫu chuẩn là hoàn toàn xác định và yêu cầu mẫu chuẩn phải trơ về nhiệt độ.
Với mẫu đo thì luôn xẩy ra một trong hai quá trình giải phóng và hấp thụ nhiệt khi ta tăng nhiệt độ của hệ, ứng với mỗi quá trình này sẽ có một trạng thái chuyển pha tương ứng.
* Phương pháp này cho ta biết:
- Phân biệt các nhiệt độ đặc trưng.
- Hành vi nóng chẩy và kết tinh của vật liệu.
- Độ ổn định nhiệt.
- ..

2/ Thiết bị đo.
Một hệ đo gồm: - Hai giá giữ mẫu bao gồm cặp nhiệt, bộ
phận chứa mẫu.
- 1 lò nhiệt.
- 1 thiết bị điều khiển nhiệt độ.
- 1 hệ ghi kết quả đo.
a/ Là sơ đồ cung cấp nhiệt của thiết bị DTA.
b/ Một hệ đo của hãng Orton.
Ta thấy diện tích phần bên trên hay phần bên dưới của các đỉnh cho ta biết về năng lượng ứng với các quá trình xẩy ra trong mẫu.
Khi dương thì mẫu đang toả nhiệt và ngược lại.
Ta có: , A: diện tích
đỉnh.
K: độ dẫn của mẫu.
g : thừa số hình dạng đỉnh.
q: lượng entanpy thay đổi / 1 đơn vị khối lượng.
Như vậy xác định diện tích các đỉnh, ta đã xác định năng lượng xẩy ra quá trình tương ứng, từ đó ta xác định được bản chất của quá trình và thời điểm xẩy ra quá trình đó trong khi phân tích.
3/ Hoạt động và phân tích kết quả.
- Sự thay đổi nhiệt độ bên trong các mẫu được xác định bởi các cặp nhiệt, độ chênh lệch giữa các cặp nhiệt sinh ra một điện áp và sau đó ta khuếch đại điện áp này lên.
* Dưới đây ta có một đường cong của hệ DTA.
IV/ Quét nhiệt vi sai (DSC).
1/ Cơ sở và tính năng của phương pháp.
* DSC là phương pháp phân tích mà ở đó độ chênh lệch về nhiệt độ giữa mẫu chuẩn và mẫu đo luôn bằng không. Trong quá trình chuyển pha của mẫu, năng lượng sẽ được bổ xung vào mẫu hay có thể mất đi từ mẫu, ta sẽ xác định năng lượng đó thông qua tính diện tích giới hạn bởi đồ thị mà ta thu được.
* Phương pháp DSC cho ta thông tin về sự chuyển pha của vật chất.
2/ Thiết bị.
Khi xuất hiện sự chuyển pha trên mẫu, năng lượng sẽ được thêm vào hoặc mất đi trong mẫu đo hoặc mẫu chuẩn, để duy trì nhiệt độ ở mẫu đo và mẫu chuẩn bằng nhau. Năng lượng cân bằng này được ghi lại và cung cấp kết quả đo trực tiếp của năng lượng chuyển pha.
Hình vẽ: (a): là sơ đồ cung cung cấp nhiệt của DSC loại thông lượng nhiệt.
(b): là loại bổ chính công suất.
Ta thấy loại thông lượng nhiệt có một lò nhiệt còn loại bổ chính công suất có hai lò nhiệt. Với hai lò nhiệt như vậy ta có thể đo trực tiếp công suất của các lò từ đó suy ra độ chênh lệch về công suất, còn với một lò nhiệt thì ta lại dựa vào nhiệt độ.
* Thiết bị DSC có các bộ phận chính sau:
- Giá giữ mẫu gồm cặp nhiệt, bộ phận chứa mẫu.
- Lò nhiệt.
- Thiết bị điều khiển nhiệt độ.
- Hệ ghi kết quả đo.
+ Sau đây là sơ đồ khối của DSC bổ chính công suất.
3/ Hoạt động và phân tích kết quả đo.
Quá trình phân tích nhiệt thường bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường, điều kiện thí nghiệm, khả năng chống ăn mòn của vật liệu, khả năng phản hồi của thiết bị ghi,.
Khi đặt mẫu vào vị trí lò, tăng dần nhiệt độ của các lò, ta dùng một detector vi sai công suất để đo sự khác nhau về công suất của các lò. Tín hiệu được khuếch đại và chuyển lên bộ phận ghi dữ liệu.
Trong phép phân tích DSC đường cong thu được thường thay đổi xung quanh trục nhiệt độ, và suất hiện các đỉnh thu nhiệt và toả nhiệt ứng với các quá trình chuyển pha của mẫu.
* Sau đây ta đi xem xét một ví dụ để xác định các điểm chuyển pha của polyme.
: là nhiệt độ chuyển pha thuỷ tinh, lúc này nhiệt dung của mẫu tăng do vậy dòng nhiệt tăng lên.
: Nhiệt độ kết tinh, khi nhiệt độ tăng các sợi polyme sẽ nhận đủ năng lượng và sắp xếp có trật tự hơn (tinh thể). Quá trình này mẫu giải phóng năng lượng.
: Nhiệt độ tan của mẫu, lúc này tinh thể polyme tan ra, các sợi polyme chuyển động tự do, vì vậy chúng đã hấp thụ một nhiệt lượng.


V/ Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA).
1/ Cơ sở và tính năng của phương pháp.
* Phương pháp này dựa trên cơ sở xác định khối lượng của mẫu vật chất bị mất đi (hay nhận vào) trong quá trình chuyển pha như một hàm của nhiệt độ.
TGA cho ta xác định khối lượng chất bị mất đi trong quá trình chuyển pha.
Đường phổ TGA đặc trưng cho một hợp chất hoặc một hệ do thứ tự của các phản ứng hoá học xuất hiện tại một khoảng nhiệt độ xác định là một hàm của cấu trúc phân tử.
Các đường dữ liệu liên quan tới nhiệt động học và động năng của dạng phản ứng hoá học, cơ chế phản ứng,.
* Các thông tin ta nhận được dùng để xác định thành phần khối lượng các chất có mặt trong mẫu. Ngoài ra ta xác định được thành phần dung môi, chất phụ gia,.
2/ Thiết bị.
Hệ đo TGA có cấu tạo tương tự như DTA, nhưng TGA có thêm phần sensor khối lượng.
Mẫu được cân liên tục và nung nóng đến nhiệt độ bay hơi, mẫu được đặt trên đĩa và gắn với bộ cân bằng ghi tự động, bộ cảm biến tự động chọn điểm cân bằng.
Bộ biến năng là các tế bào quang điện, khi vị trí cân bằng ban đầu được thiết lập, sự thay đổi khối lượng của mẫu sẽ được làm cân bằng.
Nhiệt độ của lò được thay đổi liên tục và điều khiển bởi cặp nhiệt.
Khối lượng thay đổi được đo so với tín hiệu vào ban đầu.
Sơ đồ cấu tạo của một thiết bị TGA (a).
Một hệ TGA của hãng Orton (b).
3/ Hoạt động và phân tích kết quả.
Ban đầu, cân ở vị trí cân bằng. Thiết bị điều khiển làm tăng nhiêt độ, trong quá trình đó các quá trình lý, hoá xẩy ra làm thay đổi khối lượng của mẫu, nhờ đó các sensor khối lượng chuyển tín hiệu về máy tính và chuyển đổi thành phần trăm khối lượng của vật liệu bị mất đi.
VD: Mẫu phân tích TGA của
Bài trình bày của em đến đây là kết thúc.
Em xin chân thành cảm ơn!