BÀI BÁO CÁO-CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NHIỆT

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

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

§Ò tµi:

C¸c ph¬ng ph¸p ph©n tÝch nhiÖt

Néi dung b¸o c¸o:

I/ Ph¬ng ph¸p ph©n tÝch nhiÖt lµ g×? II/ C¬ së vËt lý cña ph¬ng ph¸p

III/ Ph©n tÝch nhiÖt vi sai (DTA)

IV/ QuÐt nhiÖt vi sai (DSC)

V/ Ph©n tÝch nhiÖt träng lîng (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

0 0 0,1 C 10 C

0 0

10 C 200 C

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 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

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 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 CaC O H O2 4. 2

Bài trình bày của em đến đây là kết

thúc

Em xin chân thành cảm ơn!