2.3量热分析
热分析的工作原理及其应用
热分析作为一种快速、准确、非破坏性的分析方法，在科学研究和工业生产中得到了广泛的应用。其优势主要包括以下几个方面：
•快速性：热分析可以在很短的时间内完成分析，具有较高的分析效率。
•准确性：热分析可以通过测量样品的物理性质变化来得到分析结果，具有较高的分析准确性。
•非破坏性：由于热分析不需要改变样品的化学或物理性质，因此可以进行非破坏性分析，便于后续分析或再利用。
•在线监测和实时控制：热分析技术将与自动化和监测系统相结合，实现在线监测和实时控制，提高生产效率和质量。
总之，热分析是一种重要的分析方法，通过测量样品在不同温度下的物理性质变化来推测其组成和性质。它在材料科学、化学、药学等领域具有广泛的应用，并具有快速、准确和非破坏性等优势。随着科学技术的发展，热分析技术将不断创新和改进，以满足不断变化的应用需求。
主要的热分析仪器包括热重天平、差热仪和量热仪。这些仪器通过控制样品的加热或冷却过程，并测量样品质量、温度或热量的变化来获取分析数据。
2.
热分析广泛应用于材料科学、化学、药学等领域，具有以下几个主要的应用方面：
2.1
热分析可以用于研究材料的热稳定性、热降解机制等。通过热重分析可以测定材料的热分解温度、热稳定性等参数，从而评估材料的热稳定性和热降解性能。差热分析则可以用于研究材料的相变、晶化过程等热性质，并推断材料的组成、结构等信息。
热分析的工作原理及其应用
1.
热分析是通过在样品受到加热或冷却的过程中测量其物理性质的变化来推测其组成和性质的一种分析方法。它基于样品在不同温度下发生物理或化学变化的特性，通过测量这些变化来推断样品中存在的成分及其含量。
常见的热分析方法包括热重分析（Thermal Gravimetric Analysis, TGA）、差热分析（Differential Thermal Analysis, DTA）和差示扫描量热分析（Differential Scanning Calorimetry, DSC）等。这些方法可用于分析各种材料，包括固体、液体和气体等。
热解吸 热解析-概述说明以及解释
热解吸热解析-概述说明以及解释1.引言1.1 概述热解吸（Thermal Desorption）和热解析（Thermogravimetric Analysis）是分析化学领域中常用的技术手段，用于研究样品的热稳定性、挥发性和组成成分等。
热解吸是通过升温将样品中的挥发性物质释放出来，进而进行分析；而热解析则是通过监测样品在升温过程中的质量变化来研究其热行为。
本文将就热解吸和热解析的概念、原理及应用进行深入探讨，旨在帮助读者更好地了解这两种重要的分析技术，并探讨其在科学研究和工业生产中的应用前景。
1.2 文章结构本文主要分为引言、正文和结论三部分。
在引言部分，将首先对热解吸和热解析的概念进行概述，介绍文章的结构和目的。
正文部分将主要围绕热解吸的概念、热解析的原理以及两者的应用展开讨论。
其中，将详细介绍热解吸的定义、作用机制以及研究方法；以及热解析的原理、实验技术和实际应用情况。
在结论部分，将总结热解吸与热解析在化学分析领域的重要性，展望未来可能的研究方向，并提出结论和建议。
1.3 目的热解吸和热解析作为一种重要的分析技术，在科学研究和工业生产中具有广泛的应用。
本文旨在深入探讨热解吸和热解析的概念、原理和应用，以帮助读者更好地理解这两种技术的重要性和价值。
通过对热解吸和热解析的研究和分析，我们可以更好地认识材料的热性质、表面化学和结构特征，为材料科学和化学工程领域的研究和应用提供重要的参考。
同时，我们也希望通过本文的阐述，进一步激发人们对热解吸和热解析技术的兴趣，促进相关领域的进一步发展和创新。
2.正文2.1 热解吸的概念热解吸是一种常用的分析技术，它通过加热样品并测量其释放的气体或挥发物来对样品进行分析。
在热解吸过程中，样品中的挥发性物质会被加热至其挥发温度，从而释放出气体。
这些挥发物质可以通过吸附剂或检测设备捕获和分析。
热解吸通常用于分析各种样品，如环境样品、食品、药物、化妆品等。
它可以用来检测样品中的有机物、溶剂残留、挥发性有机物等。
聚合物热重分析
• 热稳定性（Thermal stability）
聚合物热重分析
近现代聚合物分析方法—第二章热分析技术
热重
7
American Society for Testing and Materials (ASTM)的标准测试方法中，热重法用作：
3.1仪器因素的影响 3.1.1气体浮力的影响 3.1.2试样皿的影响 3.1.3挥发物冷凝的影响 3.1.4温度测量误差的影响
热重
15
3.2实验条件的影响
3.2.1升温速率的影响
3.2.2气氛的影响
3.2.3满量程标尺引起的 表观误导
3.3试样的影响 3.3.1试样量的影响 3.3.2试样粒度、形状、装 填的影响 3.3.3试样性质的影响 聚合物热重分析
都观察不到，误以为实验出了故障。
聚合物热重分析
近现代聚合物分析方法—第二章热分析技术
热重
27
3.3 试样的影响
聚合物热重分析
近现代聚合物分析方法—第二章热分析技术
热重
28
3.3.1 试样量的影响
试样量的大小对热传导、热扩散、挥发物逸出 都有影响。试样量越大，则热效应和温度梯度 越大，对热传导和气体逸出不利，导致温度偏 差，偏差程度随试样量增多而变大。试样量过 小，噪声（仪器灵敏度和表观增重等）所占比 重增大，图形失真。
止温度越低，反应区间变窄，分解反应进行的
完全。
聚合物热重分析
近现代聚合物分析方法—第二章热分析技术
热重
31
试样粒度对TG曲线的影响
% 细粒 粗粒 片
T
聚合物热重分析
近现代聚合物分析方法—第二章热分析技术
ANSYS APDL热分析入门
APDL热分析关键知识及实例一.关键概念（1）λ：热导率，是指当温度垂直向下梯度为1℃/m时，单位时间内通过单位水平截面积所传递的热量。
（2）E: 弹性模量，材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系（即符合胡克定律），其比例系数称为弹性模量。
（3）Β：热胀系数，物体由于温度改变而有胀缩现象。
其变化能力以等压(p一定)下，单位温度变化所导致的长度量值的变化，即热膨胀系数表示。
各物体的热膨胀系数不同，一般金属的热膨胀系数单位为1/度（摄氏）。
（4）μ：泊松比，指材料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值，也叫横向变形系数，它是反映材料横向变形的弹性常数。
（5）α：传热系数、膜系数，单位时间通过单位面积传递的热量。
（6）T u: 接触温度，材料与外界接触处温度。
（7）C: 热容，“当一系统由于加给一微小的热量δQ而温度升高dT时，δQ/dT 这个量即是该系统的热容。
”（8）q: 热通量，单位时间内，通过物体单位横截面积上的热量。
（9）ε：发射系数，原子谱线中发射谱线的辐射能量可用一个发射系数来表示，其含义为单位时间单位体积单位立体角内辐射的能量。
●传热三种基本方式：热传导、热对流及热辐射。
●热流率/热流量(Heat flow)表示单位时间内，通过传导，对流，辐射的方式穿过给定表面传输的热量，也称为热流量。
常表示为Φ，国际单位为瓦特(W)。
这是一种热学上荷载，即热量，相当于功率。
如果大于零，表示热量流入，物体获得热量，反之，热量外流。
●热流密度/热通量（Heat Flux）一般用q表示，定义为单位时间内，通过物体单位横截面积上的热量。
二．基本代号（热力学基本符号）●APDL关键缩略写K：关键点L：线E：单元DENS：密度MAT：材料ET：单元类型KXX：热导率EX：弹性模量HF:传热系数PRXY：泊松比ALPX：热胀系数REFT：参考温度GXY：剪切模量MU：摩擦系数REAL：实常数MP：材料类型PRIN：主应力SINT：应力强度SEQV：等效应力IC：初始条件三．主要知识1.常用分析单元：MASS71:Thermal MassLINK31:Radiation LinkLINK33: convection LinkLINK34:conduction LinkPLANE35:Thermal SolidPLANE55:Thermal SolidSHELL131:Themal ShellPLANE223:Coupled_filed Solid2.热分析的类型ANSYS支持两种类型的热分析：(1)稳态热分析确定在稳态的条件下的温度分布及其他热特性，稳态条件指热量随时间的变化可以忽略。
热分析技术在材料性质研究中的应用
热分析技术在材料性质研究中的应用材料科学领域一直是一个非常重要的研究方向，它关乎到人类社会的各个方面。
随着科技的不断进步，热分析技术成为了材料性质研究中必不可少的重要手段之一。
本文将介绍热分析技术的基本原理、分类以及它们在材料性质研究中的应用。
1. 热分析技术的基本原理热分析技术主要通过对材料在不同温度下的物理、化学变化过程进行监测和分析，来了解材料的性质及其变化规律。
一般来说，热分析技术分为热重分析、差热分析、热量分析和热力学分析四种类型。
热重分析主要测量材料在一定温度和气氛下的体重变化，通过测量样品质量的变化，可以推断其热稳定性、热分解性等性质。
差热分析主要测量材料在升温或降温过程中与对照体的热量差值，从而得到材料的各项热力学数据和变化规律。
热量分析主要测量材料在物理、化学变化过程中所涉及的热量变化，包括放热、吸热和焓变化等，这些数据可以表征材料的热力学性质。
热力学分析主要确定材料的热力学参数，如热容、热导率、热膨胀系数、热熔性等，它们直接反映了材料内部分子结构以及其性质变化。
这些热分析技术的测量结果可以反映材料的物理和化学变化过程，进而了解材料在不同条件下的性质变化，开发新材料和改进现有材料的性能。
2. 热分析技术在材料性质研究中的应用热分析技术的应用范围非常广泛，涉及到许多不同的材料和行业。
下面我们将介绍其在材料性质研究中的具体应用。
2.1 材料的热稳定性研究热稳定性是材料重要的热性质之一，它涉及到材料在高温下的稳定性和耐热性，是建造高温设备的基础。
热重分析和差热分析可以通过测试样品的质量变化和热量变化来推断材料的热稳定性。
在多种高温材料的研究中，热重分析和差热分析是两个最常见的研究手段。
以高温聚酰亚胺类材料为例，我们可以通过差热分析得到其玻璃化转变温度和晶体相变温度，进而得到其高温稳定性的信息。
2.2 材料的分解反应和燃烧热研究材料分解反应和燃烧热是材料的重要特性，对于建造材料性能高、可靠性好的安全设备具有非常重要的意义。
热分析法
谓“程序控制温度”是指用固定的速率加热或冷却，所谓“物
理性质”则包括物质的质量、温度、热焓等。
3
判定某项技术是否属于热分析技术应该具备
以下三个条件：
1）测量的参数必须是一种“物理性质”，包括质量、温
度、热焓变化等。
2）测量参数必须直接或者间接表示成温度的函数关系。 3）测量必须在程序控制的温度下进行.
6
热重分析框架图
等压质量变化测定
（自发气氛热重分析）
静态
等温质量变化测定
热重分析
热重分析法,TG 动态（非等温热重法） 微商热重分析 法,DTG
在热重法动态法最为简便，所以采用得最多。
7
1. 热重法 （Thermogravimetry,TG )
定义：在程序控制温度下，测量物质质量与温度关系
的一种技术。
器，经放大后输入记录仪，得到差热曲线，即DTA曲线。
35
差热分析仪的构成
差热分析仪的组成 1）加热炉 2）试样容器 3）热电偶 4）温度程序控制系统 5）信号放大器 6）记录仪 7）气氛控制设备
36
2.2 差热曲线（DTA曲线）
差热分析时，将试样和参比物对称地放在样品池内，并将其置 于炉子的恒温区内。当程序加热或者冷却时，若样品没有热效应， 样品与参比物没有温差， △T=0，此时记录曲线为一条水平线。 若样品有热效应， △ T≠0。如果是放热反应， △T>0，曲线 偏离基线移动，直至反应结束，再经过试样与参比物之间的热平衡 过程而逐渐恢复到△T=0形成一个放热峰 ；如果是吸热反应曲线偏 移基线移动的结果形成了一个吸热峰。这样连续记录两者温差（△ T） 随温度（T）而变化的曲线成为差热曲线（或DTA曲线）。 由内插基线与差热峰围城的面积称为峰面积（Peak area） （BCDB）实验表明，某一定量样品范围内，样品量与峰面积呈线性 关系，而且与热效应成正比，故峰面积可以作为计算热效应的定量 依据。
热分析技术及在材料物理研究中的应用
2021/2/4
2
1.1 历史回顾
一、历史、一些基本定义与概念
五行相生相克的原理
相生
相克
木生火：木燃烧可以产生火 金克木：金属的斧头可以砍倒
火生土：火燃烧完木头后，产
树木
生灰烬化为尘土
木克土：树木吸取土里的养分，
土生金：从土里面可以挖掘出
使土变贫脊
金子
土克水：土可以阻挡水，或改
金生水：金子融化后变成液状
热重分析仪需要一台热天平来连续、自动地记录试 样质量随温度变化的曲线。
可以用来分析金属络合物的降解，煤的组份，物质的 脱水、分解等。
2021/2/4
16
常用的三种热重测量模式： 等温法（isothermal TG） 准等温法（quasi-isothermal TG） 动态法（dynamic TG）
2021/2/4
图示热重法的三种模式（陈道达p.13）
17
热重法测定的被测物质的质量随温度变化的关系曲线基本特
性（陈道达p.14）
2021/2/4
18
2.1.2 影响热重曲线的主要因素
1 仪器（热天平）因素 炉子的加热速度 样品器与炉子的几何形状 炉子的气氛 记录结构的灵敏度 试样容器的组成 2 试样的特性 样品的分量 逸出气体在试样中的溶解度 试样颗粒的大小 反应热 试样的填装方法 试样的性质 试样的热导率
测量物质任何物理性质参数与温度关系的一类相 关技术的总称 (A general term covering a group of related techniques whereby the dependence of the parameters of any physical property of a substance on temperature is measured.)
2.3 热力学第一定律
2.3热力学第一定律【学习目标】1．知道物体的内能是物体内所有分子的动能和势能的总和．2．知道物体内能的变化量可以由做功的数值来量度．3．通过焦耳的实验的观察，分析和思考，培养学生实事求是，严谨的科学态度和想象能力．4．能区别功和内能．做功与内能变化的关系．5．知道热传递及热传递的三种方式以及热传递的实质．6．知道热传递与内能变化的关系，理解热功当量。
7．知道做功和热传递对改变物体内能的等效结果．8．明确温度、热量、功和内能四个物理量的区别和联系．9．掌握热力学第一定律及其表达式，能够从能量转化的观点理解定律；10．会用表达式ΔU=W+Q对问题进行分析和计算；11．掌握能量守恒定律，理解定律的重要意义，会用能量转化和守恒的观点分析物理现象；12．能综合运用学过的知识，用能量守恒定律对有关问题进行计算、分析；13．了解第一类永动机不可能制成的原因．【要点梳理】要点一、功和内能1．热功当量实验——焦耳实验（1）方法：在水中放置叶片，叶片上缠绕两根绳子，每根绳子各跨过一滑轮，且分别悬挂一个重物，盛水的容器用绝热性能良好的材料包好．如图所示，当重物下落时便带动叶片转动，容器中的水受叶片的搅动，水由于摩擦而温度上升．（2）结论：只要重力所做的功相同，容器内水温上升的数值就相同，即系统的状态变化相同．2．利用电流的热效应给水加热的实验（1）方法：如图所示，利用降落的重物使发电机发电．电流通过浸在液体的电阻丝．引起液体温度上升．（2）结论：对同一个系统，在绝热过程中，只要所做的电功相等，系统温度上升的数值就相同，即系统的状态变化相同．3．内能（1）内能是物体内部所有分子做热运动的动能和分子势能的总和．内能类比于重力做功与路径无关，仅由物体初、末位置决定．而热力学系统的绝热过程中，外界对系统所做的功也仅由初、末状态决定，与具体做功的过程和方法无关，我们认识到。
任何一个热力学系统必定存在一个只依赖于系统自身状态的物理量，这个物理量是系统的一种能量，叫内能．（2）内能变化和做功的关系系统由状态1在绝热过程中达到状态2时，内能的增加量21U U U∆=－，U W∆=。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
由定压实验测得的热容与温度的关系， 计算出任意温度的热焓：
H (T ) H (T0 ) CP dT
T0
T
CP S (T ) S (T0 ) dT T0 T
G H - TS
在恒温下
(2-6)
dG = dH – TdS
(2-7)
在恒温和恒压的平衡／非平衡条件下
dG 0
(2-8)
即在恒温恒压的自发过程中，体系将向降低Gibbs 自由能的方向进行。 (5) 热焓H
H U + pV
(2-9)
(6) 热力学基本关系式 组成恒定、不作非膨胀功的封闭体系的热力学基本方程 dU TdS PdV
吉布斯自由能与温度的关系： Gibbs-Helmholtz公式
S CV T T V S CP T T P
G / T H 2 T T P
5) 热力学分析常用到的状态函数 热分析的基本状态函数(无化学变化或相变)是热容，一般假 定体系是封闭的，组成恒定，仅可交换热量和功。 热容的一般表达为：
பைடு நூலகம்
4) 一些不能直接测量的热力学状态函数
(1) 熵或熵变(Entropy or entropy change) 恒温下定义的熵变dS：
dQ / T dS
对于一个孤立体系，第二定律要求： 对于平衡过程dS 必须为0； 对于非平衡过程dS 必须是正； 宏观过程不可能有负熵变化。
(2-2)
2.3 量热分析 2.3.1 热力学基础 1) 体系与环境 热分析是对物质进行宏观描述的一种实验技术， 所给出的量具有统计性质。 任何一个体系都可以 分为下述三种之一： 开放体系 封闭体系 孤立体系 体系 体系边界
环境
例子：
热重法是观测敞开体系的一种仪器 量热法是属于封闭体系的一种测量方法 弹式量热计的整体可以看着为一个孤立体系
在量热分析中，我们所研究的样品对象为体系，因 此，定义所有加入到体系中的量为正值，而从体系 中失去的量为负值。如体系在相变过程中吸收的热 量Q为正，而放出的热量Q为负。
2) 热力学函数
描述体系的状态函数： 可测量的状态函数： 总能量U 温度T 体积V 压力P 物质的量N 质量m
其中T、P为强度状态函数，不具加和性，即不 随物质的量增加或减少而变 U、V、N、m为量度状体函数，具有加和性，即 与物质的量成正比 当体系处于平衡态时，状态函数间的相互关系是 由平衡热力学确定的
(3) 热力学的四个定律 第零定律：如果两个热力 学系统中的每一个都与第三个热 力学系统处于热平衡，则它们彼此也必定处于 热平衡
这使得我们能够引进温度计的概念以可重复的方式测量 各种体系的温度
第一定律：能量是守恒的
dU=Q+W 第二定律：热自发地从高温流向低温 第三定律：不同态凝聚态体系在0 K时的熵差为零（The Difference in Entropy Between States Connected by a Reversible Process Goes to Zero in Limit T 0 K） (2-1)
C = Q/T
(2-10)
状态函数的第一定律表达式在有热膨胀做功的情况下， 内能的变化为
dU = dQ - PdV
而定容比热为
dQ / dT (U / T )V ,N CV
热分析通常是在常压下进行，而体系的体积相当小，因 此热焓H与内能U之差不大，则有
U V dQ H CP CV P dT T P , N T T T , N P,N
dH TdS VdP dF SdT PdV dG SdT VdP
麦克斯韦 ( Maxwell )关系 热容与T、S、P、V的关系
S P V T T V S V P T T P
3) 热力学的四个定律 (1) 能量和熵 热力学的两个中心概念是能量和熵，其他用得 最多的概念是温度和压力。实际上温度和压力 可以用能量和熵来表达（定义）。能量和熵是 物理体系的性能，但各自具有不同特性。能量 是守恒的，既不能产生，也不能毁灭，只能从 一种形式变化到另一种形式。
(2) 可逆与不可逆过程 可逆过程：一个过程，如果每一步都可在相反的方向 进行而不引起外界的其它任何变化，则称此过程为可 逆过程 (reversible process) 。或者说，如果一个过 程发生后，系统和外界都可以重新恢复到它们的初始 状态，这种过程称为可逆过程。 不可逆过程：一个过程，如果用任何方法都不可能使 系统和外界完全复原，则称此过程为不可逆过程 (irreversible process)。或者说，如果一个过程一旦 发生，无论通过如何曲折复杂的途径，都不可能使系 统和外界都恢复到它们的初始状态，这种过程又称不 可逆过程。通常，不可逆过程是自发和快速发生的， 会产生“流”和“摩擦”效应。
S k ln
F U - TS
在恒温和恒容的平衡/非平衡条件下
(2-3)
(3) Helmholtz自由能(Helmholtz function或Helmholtz energy) (2-4)
dF 0
(2-5)
即在恒温恒容的自发过程中，体系将向降低 Helmholtz自由能的方向进行。
(4) Gibbs自由能(Gibbs function或Gibbs energy)
(2)式还表明，温度越高则熵变数值越小。从较低温度 T1到较高温度T2，熵变不可能为负值，即下式不成立：
Q Q S 0 T2 T1
（热不可能自发从 低温传到高温）
仅就孤立体系而言，熵变应遵从dS 0。对于开放体系 和封闭体系，在dS中必须包括环境变化，但不便计算。
(2) 玻兹曼(Boltzman)熵定理