BÀI BÁO CÁO-CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NHIỆT

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

Báo cáo môn:
Các phơng pháp phổ trong phân tích và đo lờng vật
lý.


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

Các phơng pháp phân tích nhiệt.


Nội dung báo cáo:
I/ Phơng pháp phân tích nhiệt là gì?
II/ Cơ sở vật lý của phơng pháp.
III/ Phân tích nhiệt vi sai (DTA)
IV/ Quét nhiệt vi sai (DSC).
V/ Phân tích nhiệt trọng lợng (TGA).
I/ Phơng Pháp phân tích nhiệt là gì?
Phân tích nhiệt là phơng pháp phân tích mà trong
đó, các tính chất vật lý, hoá học của mẫu, đo một cách
liên tục nh là những hàm của nhiệt độ ( nhiệt độ đợc
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 đợc các thông số yêu cầu của việc phân tích.

Các tính chất đợc xác định nh: Nhiệt độ chuyển
pha, khối lợng mất đi, biến đổi về kích thớc.
Trong phần này ta đi tìm hiểu các phơng pháp chính
sau:
- Phân tích nhiệt vi sai (DTA).
- Quét nhiệt vi sai (DSC).
- Phân tích nhiệt trọng lợng (TGA).
Dựa vào phơng pháp này ta có thể: Kiểm nghiệm sản
phẩm, phân tích thành phần,
II/ Cơ sở vật lý của phơng 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 lợng vật lý
khác nh năng lợng chuyển pha , độ nhớt, entropy, cũng
thay đổi.

*Mối quan hệ giữa nhiệt độ và nhiệt lợng:

Trong đó C là nhiệt dung phụ thuộc vào bản chất khối vật
liệu.
* Entropy là một đại lợng gắn bó chặt chẽ với năng lợng và
nhiệt độ của hệ trong các quá trình thay đổi trạng thái.
* Vật chất thờng tồn tại ở ba trạng thái: Rắn, lỏng, khí.
Trong đó hiện tợng chuyển pha là hiện tợng rất quan
trọng.
Q
T
mC

III/ Phân tích nhiệt vi sai (DTA).
1/ Cơ sở và tính năng của phơng pháp.
Phân tích nhiệt vi sai dựa trên việc thay đổi nhiệt độ
của mẫu đo và mẫu chuẩn và đợc xem nh 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 tơng
ứng.
* Phơng pháp này cho ta biết:
- Phân biệt các nhiệt độ đặc trng.
- 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.
Bộ khuếch đại
Bộ điều khiển
/phút
/phút
Bộ ghi.

S
R
Hệ điều
khiển nhiệt
độ.
00
0,1 10CC
00
10 200CC
a/ Lµ s¬ ®å cung cÊp nhiÖt cña thiÕt bÞ DTA.
b/ Mét hÖ ®o cña h·ng Orton.
Ta thấy diện tích phần bên trên hay
phần bên dới của các đỉnh cho ta
biết về năng lợng ứng với các quá
trình xẩy ra trong mẫu.
Khi dơng thì mẫu đang toả
nhiệt và ngợc lại.
Ta có: , A: diện tích
đỉnh.
K: độ dẫn của mẫu.
g : thừa số hình dạng đỉnh.
q: lợng entanpy thay đổi / 1 đơn vị
khối lợng.
Nh vậy xác định diện tích các
đỉnh, ta đã xác định năng lợng xẩy
ra quá trình tơng ứng, từ đó ta xác
định đợc 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 đợc 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.
* Dới đây ta có một đờng cong của hệ DTA.
T
mq
A
gK

IV/ Quét nhiệt vi sai (DSC).
1/ Cơ sở và tính năng của phơng pháp.
* DSC là phơng 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 lợng sẽ đợc bổ xung vào mẫu hay có thể mất đi từ
mẫu, ta sẽ xác định năng lợng đó thông qua tính diện
tích giới hạn bởi đồ thị mà ta thu đợc.
* Phơng 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 lợng sẽ đợc 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 lợng cân bằng này
đợc ghi lại và cung cấp kết quả đo trực tiếp của năng lợng chuyển
pha.
Hình vẽ: (a): là sơ đồ cung cung
cấp nhiệt của DSC loại thông

lợng nhiệt.
(b): là loại bổ chính
công suất.
Ta thấy loại thông lợng nhiệt có
một lò nhiệt còn loại bổ
chính công suất có hai lò
nhiệt. Với hai lò nhiệt nh 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 thờng bị ảnh hởng bởi các
yếu tố môi trờng, 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 đợc khuếch
đại và chuyển lên bộ phận ghi dữ liệu.
Trong phép phân tích DSC đờng cong thu đợc thờng
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 lợng và sắp xếp
có trật tự hơn (tinh thể).
Quá trình này mẫu giải
phóng năng lợng.
: 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 lợng.





g
T
c

T
m
T
V/ Phân tích nhiệt trọng lợng (TGA).
1/ Cơ sở và tính năng của phơng pháp.
* Phơng pháp này dựa trên cơ sở xác định khối lợng của
mẫu vật chất bị mất đi (hay nhận vào) trong quá trình
chuyển pha nh một hàm của nhiệt độ.
TGA cho ta xác định khối lợng chất bị mất đi trong quá
trình chuyển pha.
Đờng phổ TGA đặc trng 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 đờng 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 đợc dùng để xác định thành phần
khối lợng các chất có mặt trong mẫu. Ngoài ra ta xác định
đợc thành phần dung môi, chất phụ gia,
2/ Thiết bị.
Hệ đo TGA có cấu tạo tơng tự nh DTA, nhng TGA có
thêm phần sensor khối lợng.
Mẫu đợc cân liên tục và nung nóng đến nhiệt độ bay
hơi, mẫu đợc 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 đợc thiết lập, sự thay đổi khối lợng của
mẫu sẽ đợc làm cân bằng.
Nhiệt độ của lò đợc thay đổi liên tục và điều khiển
bởi cặp nhiệt.

Khối lợng thay đổi đợc đo so với tín hiệu vào ban
đầu.
S¬ ®å cÊu t¹o cña mét thiÕt bÞ TGA (a).
Mét hÖ TGA cña h·ng 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 lợng của mẫu,
nhờ đó các sensor khối lợng chuyển tín hiệu về
máy tính và chuyển đổi thành phần trăm khối lợng
của vật liệu bị mất đi.
VD: MÉu ph©n tÝch TGA cña

2 4 2
.CaC O H O

Bµi tr×nh bµy cña em ®Õn ®©y lµ kÕt
thóc.
Em xin ch©n thµnh c¶m ¬n!