Trêng ®¹i häc b¸ch khoa hµ néi
viÖn ®µo t¹o vµ båi dìng sau ®¹i häc
viÖn vËt lý kü thuËt.
B¸o c¸o m«n:
C¸c ph¬ng ph¸p phæ trong ph©n tÝch vµ ®o lêng vËt
lý.
Häc viªn
: Vò
§×nh Phíc.
Líp
: VËt lý kü thuËt.
Kho¸
: 2006 – 2008.
ThÇy híng dÉn : TS. NguyÔn Ngäc 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/ Ph¬ng Ph¸p ph©n tÝch nhiÖt lµ g×?
Ph©n tÝch nhiÖt lµ ph¬ng ph¸p ph©n tÝch mµ trong
®ã, c¸c tÝnh chÊt vËt lý, ho¸ häc cña mÉu, ®o mét c¸ch
liªn tôc nh lµ nh÷ng hµm cña nhiÖt ®é ( nhiÖt ®é ®îc
thay ®æi cã quy luËt). Trªn c¬ së lý thuyÕt vÒ nhiÖt
®éng häc, tõ sù thay ®æi c¸c tÝnh chÊt ®ã ta cã thÓ x¸c
®Þnh ®îc c¸c th«ng sè yªu cÇu cña viÖc ph©n tÝch.
C¸c tÝnh chÊt ®îc x¸c ®Þnh nh: NhiÖt ®é chuyÓn
pha, khèi lîng mÊt ®i, biÕn ®æi vÒ kÝch thíc.
Trong phÇn nµy ta ®i t×m hiÓu c¸c ph¬ng ph¸p chÝnh
sau:
- Ph©n tÝch nhiÖt vi sai (DTA).
- QuÐt nhiÖt vi sai (DSC).
- Ph©n tÝch nhiÖt träng lîng (TGA).
Dùa vµo ph¬ng ph¸p nµy ta cã thÓ: KiÓm nghiÖm s¶n
phÈm, ph©n tÝch thµnh phÇn,…
Kü thuËt ph©n tÝch nhiÖt dùa trªn nguyªn lý vÒ nhiÖt
®éng häc.
Khi cã ®é chªnh lÖch vÒ ®é lín, nhiÖt ®é sÏ chuyÓn tõ
n¬i nµy sang n¬i kh¸c vµ khi ®ã lµm cho c¸c ®¹i lîng vËt lý
kh¸c nh n¨ng lîng chuyÓn pha , ®é nhít, entropy, … còng
thay ®æi.
*Mèi quan hÖ gi÷a nhiÖt ®é vµ nhiÖt lîng:
Q
Trong ®ã C lµ nhiÖt dung phô thuéc vµo b¶n
T chÊt khèi vËt
mC
liÖu.
* Entropy lµ mét ®¹i lîng g¾n bã chÆt chÏ víi n¨ng lîng vµ
nhiÖt ®é cña hÖ trong c¸c qu¸ tr×nh thay ®æi tr¹ng th¸i.
* VËt chÊt thêng tån t¹i ë ba tr¹ng th¸i: R¾n, láng, khÝ.
Trong ®ã hiÖn tîng chuyÓn pha lµ hiÖn tîng rÊt quan
träng.
III/ Ph©n tÝch nhiÖt vi sai (DTA).
1/ C¬ së vµ tÝnh n¨ng cña ph¬ng ph¸p.
Ph©n tÝch nhiÖt vi sai dùa trªn viÖc thay ®æi nhiÖt ®é
cña mÉu ®o vµ mÉu chuÈn vµ ®îc xem nh lµ mét hµm cña
nhiÖt ®é mÉu.
C¸c tÝnh chÊt cña mÉu chuÈn lµ hoµn toµn x¸c ®Þnh vµ
yªu cÇu mÉu chuÈn ph¶i tr¬ vÒ nhiÖt ®é.
Víi mÉu ®o th× lu«n xÈy ra mét trong hai qu¸ tr×nh gi¶i
phãng vµ hÊp thô nhiÖt khi ta t¨ng nhiÖt ®é cña hÖ, øng
víi mçi qu¸ tr×nh nµy sÏ cã mét tr¹ng th¸i chuyÓn pha t¬ng
øng.
* Ph¬ng ph¸p nµy cho ta biÕt:
- Ph©n biÖt c¸c nhiÖt ®é ®Æc trng.
- Hµnh vi nãng chÈy vµ kÕt tinh cña vËt liÖu.
- §é æn ®Þnh nhiÖt.
- ….
2/ ThiÕt bÞ ®o.
Mét hÖ ®o gåm: - Hai gi¸ gi÷ mÉu bao gåm cÆp nhiÖt,
bé
phËn chøa mÉu.
- 1 lß nhiÖt.
- 1 thiÕt bÞ ®iÒu khiÓn nhiÖt ®é.
- 1 hÖ ghi kÕt qu¶ ®o.
Bé khuÕch ®¹i
Bé ®iÒu khiÓn
0,10 C 100 C /phót
100 C 2000 C /phót
Bé ghi.
S
R
HÖ ®iÒu
khiÓn nhiÖt
®é.
a/ Lµ s¬ ®å cung cÊp nhiÖt cña thiÕt bÞ DTA.
b/ Mét hÖ ®o cña h·ng Orton.
3/ Ho¹t ®éng vµ ph©n tÝch kÕt qu¶.
- Sù thay ®æi nhiÖt ®é bªn trong c¸c mÉu ®îc x¸c ®Þnh bëi c¸c
cÆp nhiÖt, ®é chªnh lÖch gi÷a c¸c cÆp nhiÖt sinh ra mét ®iÖn ¸p
vµ sau ®ã ta khuÕch ®¹i ®iÖn ¸p nµy lªn.
* Díi ®©y ta cã mét ®êng cong cña hÖ DTA.
Ta thÊy diÖn tÝch phÇn bªn trªn hay
phÇn bªn díi cña c¸c ®Ønh cho ta
biÕt vÒ n¨ng lîng øng víi c¸c qu¸
tr×nh xÈy ra trong mÉu.
Khi T d¬ng th× mÉu ®ang to¶
nhiÖt vµ ngîc l¹i.
Ta cã:A mq , A: diÖn tÝch
®Ønh.
gK
K: ®é dÉn cña mÉu.
g : thõa sè h×nh d¹ng ®Ønh.
q: lîng entanpy thay ®æi / 1 ®¬n vÞ
khèi lîng.
Nh vËy x¸c ®Þnh diÖn tÝch c¸c
®Ønh, ta ®· x¸c ®Þnh n¨ng lîng xÈy
ra qu¸ tr×nh t¬ng øng, tõ ®ã ta x¸c
®Þnh ®îc b¶n chÊt cña qu¸ tr×nh vµ
thêi ®iÓm xÈy ra qu¸ tr×nh ®ã trong
khi ph©n tÝch.
IV/ QuÐt nhiÖt vi sai (DSC).
1/ C¬ së vµ tÝnh n¨ng cña ph¬ng ph¸p.
* DSC lµ ph¬ng ph¸p ph©n tÝch mµ ë ®ã ®é chªnh
lÖch vÒ nhiÖt ®é gi÷a mÉu chuÈn vµ mÉu ®o lu«n
b»ng kh«ng. Trong qu¸ tr×nh chuyÓn pha cña mÉu,
n¨ng lîng sÏ ®îc bæ xung vµo mÉu hay cã thÓ mÊt ®i tõ
mÉu, ta sÏ x¸c ®Þnh n¨ng lîng ®ã th«ng qua tÝnh diÖn
tÝch giíi h¹n bëi ®å thÞ mµ ta thu ®îc.
* Ph¬ng ph¸p DSC cho ta th«ng tin vÒ sù chuyÓn pha
cña vËt chÊt.
2/ ThiÕt bÞ.
Khi xuÊt hiÖn sù chuyÓn pha trªn mÉu, n¨ng lîng sÏ ®îc thªm vµo
hoÆc mÊt ®i trong mÉu ®o hoÆc mÉu chuÈn, ®Ó duy tr× nhiÖt
®é ë mÉu ®o vµ mÉu chuÈn b»ng nhau. N¨ng lîng c©n b»ng nµy
®îc ghi l¹i vµ cung cÊp kÕt qu¶ ®o trùc tiÕp cña n¨ng lîng chuyÓn
pha.
H×nh vÏ: (a): lµ s¬ ®å cung cung
cÊp nhiÖt cña DSC lo¹i th«ng
lîng nhiÖt.
(b): lµ lo¹i bæ chÝnh
c«ng suÊt.
Ta thÊy lo¹i th«ng lîng nhiÖt cã
mét lß nhiÖt cßn lo¹i bæ
chÝnh c«ng suÊt cã hai lß
nhiÖt. Víi hai lß nhiÖt nh vËy
ta cã thÓ ®o trùc tiÕp c«ng
suÊt cña c¸c lß tõ ®ã suy ra
®é chªnh lÖch vÒ c«ng suÊt,
cßn víi mét lß nhiÖt th× ta l¹i
dùa vµo nhiÖt ®é.
* ThiÕt bÞ DSC cã c¸c bé phËn chÝnh sau:
- Gi¸ gi÷ mÉu gåm cÆp nhiÖt, bé phËn chøa mÉu.
- Lß nhiÖt.
- ThiÕt bÞ ®iÒu khiÓn nhiÖt ®é.
- HÖ ghi kÕt qu¶ ®o.
+ Sau ®©y lµ s¬ ®å khèi cña DSC bæ chÝnh c«ng suÊt.
3/ Ho¹t ®éng vµ ph©n tÝch kÕt qu¶ ®o.
Qu¸ tr×nh ph©n tÝch nhiÖt thêng bÞ ¶nh hëng bëi c¸c
yÕu tè m«i trêng, ®iÒu kiÖn thÝ nghiÖm, kh¶ n¨ng
chèng ¨n mßn cña vËt liÖu, kh¶ n¨ng ph¶n håi cña thiÕt
bÞ ghi,…
Khi ®Æt mÉu vµo vÞ trÝ lß, t¨ng dÇn nhiÖt ®é cña c¸c
lß, ta dïng mét detector vi sai c«ng suÊt ®Ó ®o sù kh¸c
nhau vÒ c«ng suÊt cña c¸c lß. TÝn hiÖu ®îc khuÕch
®¹i vµ chuyÓn lªn bé phËn ghi d÷ liÖu.
Trong phÐp ph©n tÝch DSC ®êng cong thu ®îc thêng
thay ®æi xung quanh trôc nhiÖt ®é, vµ suÊt hiÖn c¸c
®Ønh thu nhiÖt vµ to¶ nhiÖt øng víi c¸c qu¸ tr×nh
chuyÓn pha cña mÉu.
* Sau ®©y ta ®i xem xÐt mét vÝ dô ®Ó x¸c ®Þnh c¸c
®iÓm chuyÓn pha cña polyme.
Tg : lµ nhiÖt ®é chuyÓn
pha thuû tinh, lóc nµy
nhiÖt dung cña mÉu
t¨ng do vËy dßng nhiÖt
Tc t¨ng lªn.
: NhiÖt ®é kÕt tinh, khi
nhiÖt ®é t¨ng c¸c sîi
polyme sÏ nhËn ®ñ
n¨ng lîng vµ s¾p xÕp
cã trËt tù h¬n (tinh thÓ).
Qu¸ tr×nh nµy mÉu gi¶i
Tm phãng n¨ng lîng.
: NhiÖt ®é tan cña
mÉu, lóc nµy tinh thÓ
polyme tan ra, c¸c sîi
polyme chuyÓn ®éng
tù do, v× vËy chóng ®·
hÊp thô mét nhiÖt lîng.
V/ Ph©n tÝch nhiÖt träng lîng (TGA).
1/ C¬ së vµ tÝnh n¨ng cña ph¬ng ph¸p.
* Ph¬ng ph¸p nµy dùa trªn c¬ së x¸c ®Þnh khèi lîng cña
mÉu vËt chÊt bÞ mÊt ®i (hay nhËn vµo) trong qu¸ tr×nh
chuyÓn pha nh mét hµm cña nhiÖt ®é.
TGA cho ta x¸c ®Þnh khèi lîng chÊt bÞ mÊt ®i trong qu¸
tr×nh chuyÓn pha.
§êng phæ TGA ®Æc trng cho mét hîp chÊt hoÆc mét hÖ
do thø tù cña c¸c ph¶n øng ho¸ häc xuÊt hiÖn t¹i mét
kho¶ng nhiÖt ®é x¸c ®Þnh lµ mét hµm cña cÊu tróc ph©n
tö.
C¸c ®êng d÷ liÖu liªn quan tíi nhiÖt ®éng häc vµ ®éng
n¨ng cña d¹ng ph¶n øng ho¸ häc, c¬ chÕ ph¶n øng,…
* C¸c th«ng tin ta nhËn ®îc dïng ®Ó x¸c ®Þnh thµnh phÇn
khèi lîng c¸c chÊt cã mÆt trong mÉu. Ngoµi ra ta x¸c ®Þnh
®îc thµnh phÇn dung m«i, chÊt phô gia,…
2/ ThiÕt bÞ.
HÖ ®o TGA cã cÊu t¹o t¬ng tù nh DTA, nhng TGA cã
thªm phÇn sensor khèi lîng.
MÉu ®îc c©n liªn tôc vµ nung nãng ®Õn nhiÖt ®é bay
h¬i, mÉu ®îc ®Æt trªn ®Üa vµ g¾n víi bé c©n b»ng ghi
tù ®éng, bé c¶m biÕn tù ®éng chän ®iÓm c©n b»ng.
Bé biÕn n¨ng lµ c¸c tÕ bµo quang ®iÖn, khi vÞ trÝ c©n
b»ng ban ®Çu ®îc thiÕt lËp, sù thay ®æi khèi lîng cña
mÉu sÏ ®îc lµm c©n b»ng.
NhiÖt ®é cña lß ®îc thay ®æi liªn tôc vµ ®iÒu khiÓn
bëi cÆp nhiÖt.
Khèi lîng thay ®æi ®îc ®o so víi tÝn hiÖu vµo ban
®Çu.
S¬ ®å cÊu t¹o cña mét thiÕt bÞ TGA (a).
Mét hÖ TGA cña h·ng Orton (b).
3/ Ho¹t ®éng vµ ph©n tÝch kÕt qu¶.
Ban ®Çu, c©n ë vÞ trÝ c©n b»ng. ThiÕt bÞ ®iÒu
khiÓn lµm t¨ng nhiªt ®é, trong qu¸ tr×nh ®ã c¸c qu¸
tr×nh lý, ho¸ xÈy ra lµm thay ®æi khèi lîng cña mÉu,
nhê ®ã c¸c sensor khèi lîng chuyÓn tÝn hiÖu vÒ
m¸y tÝnh vµ chuyÓn ®æi thµnh phÇn tr¨m khèi lîng
cña vËt liÖu bÞ mÊt ®i.
CaC2O4 .H 2O
VD: MÉu ph©n tÝch TGA cña
Bµi tr×nh bµy cña em ®Õn ®©y lµ kÕt
thóc.
Em xin ch©n thµnh c¶m ¬n!
- Xem thêm -