差热分析(DTA)
DTA热差分析
DTA热差分析一．热差分析（DTA）是在受控的温度程序下，测量某物质与参比物的温度差与温度关系的一种技术，是测量物质能量变化的方法。
药物在加热过程中因脱水、多晶型转变、熔融、分解等而产生能量的变化，由于每种药物的原、辅料都有其不同的化学组成和晶体结构，所以即使化学组成或晶体结构的微小差异，也会反映出不同的反应温度或反应能量，因此每种药物的原、辅料都有其特征的DTA曲线。
特别是药物中含有既不便分离又难以确定的杂质时，不用分离即可用DTA做出表征。
二、DTA曲线表示法（1）基线如图中的曲线段AB及DE所示是DTA曲线中∆T近于零的部分。
（2）峰如图中曲线BCD所示，是DTA曲线离开基线然后又回到基线的部分。
（3）吸热峰是指试样温度低于参比物质温度的峰，即∆T为负值。
（4）放热峰是指试样温度高于参比物质温度的峰，即∆T为正值。
（5）峰宽如图中的B，D的投影线段B'D'所示，是曲线离开基线与回至基线之间的时间或温度之差。
（6）峰高如图中的直线段CF所示，是自峰顶（图中的C点）画一条与时间或温度轴相垂直的直线，在此直线上自峰顶至补插基线间的距离。
（7）外推起始点如图中的G点，是指由峰前缘（图中的曲线段BC）上斜率最大一点做切线，与外延基线（图中的BG段）的交点。
三、影响DTA曲线的因素（1）升温速率目前所使用的热分析仪器通常都采用线性升温和连续加热，仪器的加热速率从0.5~50℃/min，有时甚至更大。
大量的有关升温速率对DTA曲线的影响的实验结果表明：①升温速率的不同影响DTA曲线的形状。
较低的升温速率往往使得DTA曲线峰的形状宽缓，而较高的升温速率导致在DTA曲线上出现尖锐而狭窄的峰。
②升温速率的不同影响相邻峰的分辨率。
较低的升温速率使相邻峰的分辨率提高，而较高的升温速率使相邻峰重叠。
③升温速率的不同明显的影响峰顶温度，即峰顶温度随升温速率增加而升高。
(2)样品用量样品的用量与DTA曲线峰面积有对应的关系，所以样品量明显影响DTA曲线峰面积的大小。
差热分析与示差扫描量热法的区别
差热分析与示差扫描量热法的区别
差热分析(DTA)是在程序控制温度下测定试样物质与参比物之间的温度差和温度关系的一种技术。
差热分析法(DTA) 主要测量的物理参数是温度，它的温度在20～1600℃，主要应用于熔化及结晶转变、氧化还原反应、裂解反应等的分析研究、主要用于定性分析。
示差扫描量热法(DSC) 在程序控温下，测量输给试样和参比物的能量差（功率差或热流差）随温度或时间变化的一种技术。
示差扫描量热法(DSC)主要测量的物理参数是热量，它的温度在-170～725℃，分析研究范围与DTA大致相同，但能测定多种热力学和动力学参数，如比热、反应热、转变热、反应速度和高聚物结晶度等。
Ppt38页图表分析
DSC检测的是热流率dH/dT与温度的关系
试样吸热：补偿功率ΔW ＞0 ΔW=Ws –Wr（ΔT=0）
试样放热：补偿功率ΔW ＜0
①DSC曲线是以能量为单位记录反应热量的曲线。
②曲线的峰谷面积可表征吸热或放热反应焓变。
（反应热焓与DSC曲线上的峰谷面积成正比）
③DSC能直接测量等温或变温状态下的反应热，常用于热焓、熔点的测定。
④DSC测温范围常＜800ºC
对图像分析可知：
温度到达T g 时，样品吸热，发生一级转变，样品从玻璃态转变为结晶态，吸收Q s 的热量后，然后放热温度到达T c 进入结晶态，吸收Q r 的热量到达温度T m ，结晶态熔融。
然后放出热量，吸收热量到达温度T d ，物质分解气化。
实验一差热分析一、目的意义差热分析（dta，differentialthermal
实验一 差热分析一、目的意义差热分析(DTA ，differentialthermal analysis)是研究相平衡与相变的动态方法中的一种，利用差热曲线的数据，工艺上可以确定材料的烧成制度及玻璃的转变与受控结晶等工艺参数，还可以对矿物进行定性、定量分析。
本实验的目的：1．了解差热分析的基本原理及仪器装置；2．学习使用差热分析方祛鉴定未知矿物。
二、基本原理差热分析的基本原理是：在程序控制温度下；将试样与参比物质在相同条件下加热或冷却，测量试样与参比物之间的温差与温度的关系，从而给出材料结构变化的相关信息。
物质在加热过程中，由于脱水，分解或相变等物理化学变化，经常会产生吸热或放热效应。
差热分析就是通过精确测定物质加热(或冷却)过程中伴随物理化学变化的同时产生热效应的大小以及产生热效应时所对应的温度，来达到对物质进行定性和／或定量分析的目的。
差热分析是把试样与参比物质(参比物质在整个实验温度范围内不应该有任何热效应，其导热系数，比热等物理参数尽可能与试样相同，亦称惰性物质或标准物质或中性物质)置于差热电偶的热端所对应的两个样品座内，在同一温度场中加热。
当试样加热过程中产生吸热或放热效应时，试样的温度就会低于或高于参比物质的温度，差热电偶的冷端就会输出相应的差热电势。
如果试样加热过程这中无热效应产生，则差热电势为零。
通过检流计偏转与否来检测差热电势的正负，就可推知是吸热或放热效应。
在与参比物质对应的热电偶的冷端连接上温度指示装置，就可检测出物质发生物理化学变化时所对应的温度．不同的物质，产生热效应的温度范围不同，差热曲线的形状亦不相同(如图16-2所示)。
把试样的差热曲线与相同实验条件下的已知物质的差热曲线作比较，就可以定性地确定试洋的矿物组成。
差热曲线的峰(谷)面积的大小与热效应的大小相对应，根据热效应的大小，可对试样作定量估计。
三．仪器设备与装置差热分析所用的设备主要由加热炉，差热电偶，样品座及差热信号和温度的显示仪表等所组成。
差热分析(DTA)
第 二 节差热分析（DTA ）Differential Thermal Analysis 差热分析的基本概念差热分析：是指在程序控制温度下测量物质和参比物的温度差与温度关系的技术。
差热曲线：描述样品与参比物之间的温度差（ΔT ）随温度（T ）或时间（t ）变化的曲线。
程序控制温度：指按一定的速率升温（或降温）。
参比物：指在分析温度范围内不产生热效应（既不吸热，也不放热）的物质。
差热分析仪的结构及工作原理差热分析仪的工作原理把试样（S ）和参比物（R ）分别装入两个坩埚，放在电炉中按一定的速率加热。
在此过程中，如果试样发生物理变化或化学变化，并伴随有热效应，即发生吸热或放热现象，试样的温度（TS ）将低于或高于参比物的温度（TR ），从而产生一定的温度差（ΔT= TS - TR ）。
用同极串联的一对相同的热电偶构成的差热电偶可将试样与参比物的温度差转变为温差电动势U △T 。
将这个温差电动势放大，并用来调节记录仪的记录笔或显象管亮点的纵坐标，就可以将试样与参比物的温度差随温度（T ）或时间（t ）的变化曲线（ ΔT - T 曲线）记录下来。
差热曲线提供的信息峰的个数：吸热和放热过程的个数。
峰的位置：吸热和放热过程发生的温度。
峰的性质：向上，放热；向下，吸热。
峰的形状：热反应的速率。
峰的面积：吸收或释放的热量的多少。
基线的位置：样品与参比物的比热关系。
基线的长度：物质稳定存在的温度区间。
峰的面积与吸收或释放的热量的关系 峰的面积与吸收或释放的热量成正比。
式中， A 是吸热峰或放热峰的面积；ma 是试样中反应物的质量；ΔH 是单位反应物吸收或释放的热量，即单位反应物的焓变；g 是与仪器有关的系数； λs 是试样热导率。
利用Speil 公式，可以根据峰的面积求得反应过程中的焓变和反应物质的量。
S a t t a g H m dt T T A λ∆=∆-∆=⎰21])([ΔH= gλs A/ ma ma= A gλs / ΔH基线的位置与样品和参比物的比热关系CR—参比物的比热CS—试样的比热V —升温速率k —比例常数加热过程中会产生吸热或放热效应的各种物理化学过程脱水作用—吸热•自由水：存在于物质颗粒表面或微型裂隙中的水，110℃以下脱出。
差热分析法(DTA)简介 (Differential Thermal Analysis)
差热分析法(DTA)简介（Differential Thermal Analysis）1.DTA的基本原理差热分析是在程序控制温度下，测量物质与参比物之间的温度差与温度关系的一种技术。
差热分析曲线是描述样品与参比物之间的温差(ΔT)随温度或时间的变化关系。
在DAT试验中，样品温度的变化是由于相转变或反应的吸热或放热效应引起的。
如:相转变，熔化，结晶结构的转变，沸腾，升华，蒸发，脱氢反应，断裂或分解反应，氧化或还原反应，晶格结构的破坏和其它化学反应。
一般说来，相转变、脱氢还原和一些分解反应产生吸热效应；而结晶、氧化和一些分解反应产生放热效应。
差热分析的原理如图Ⅱ-3-1所示。
将试样和参比物分别放入坩埚，置于炉中以一定速率进行程序升温，以表示各自的温度，设试样和参比物(包括容器、温差电偶等)的热容量Cs、Cr不随温度而变。
则它们的升温曲线如图Ⅱ-3-2所示。
若以对t作图，所得DTA曲线如图Ⅱ-3-3所示，在0-a区间，ΔT大体上是一致的，形成DTA曲线的基线。
随着温度的增加，试样产生了热效应(例如相转变)，则与参比物间的温差变大，在DTA曲线中表现为峰。
显然，温差越大，峰也越大，试样发生变化的次数多，峰的数目也多，所以各种吸热和放热峰的个数、形状和位置与相应的温度可用来定性地鉴定所研究的物质，而峰面积与热量的变化有关。
图Ⅱ-3-1差热分析的原理图 II-3-1 差热分析的原理图图II-3-2试样和参比物的升温曲线1.参比物;2.试样;3.炉体;4.热电偶(包括吸热转变)图Ⅱ-3-3 DTA吸热转变曲线TA曲线所包围的面积S可用下式表示式中m是反应物的质量，ΔH是反应热，g是仪器的几何形态常数，C是样品的热传导率ΔT是温差，t1是DTA曲线的积分限。
这是一种最简单的表达式，它是通过运用比例或近似常数g和C来说明样品反应热与峰面积的关系。
这里忽略了微分项和样品的温度梯度，并假设峰面积与样品的比热无关，所以它是一个近似关系式。
差热分析
S.L.Boersma (J.Amer.Ceram.
= mq
(3)
Soc.38.281.1955
G
W.W.Wendl endt 认为实 用于常规
m 试样中活性物质的质量
DTA 装置
q 单位活性物质量的转变或反应热 G 镍制品坩埚和周围镍套(带有盖)间的
导热系数
5
△T 温度差 t1 转变开始时间 t2 △T 回到零的时间 镍均温块 放置样品的空穴型状
础上经某种简化、例如样品物理性质不随温度变化、线性升温等推得峰面积与热
效应关系的数学表达式。表 1 列出了几种主要理论及其表达式。表 1 继 speil 之
后 出的峰面积和过程热效应关系的理论
理论 出者及 表达式
主要假设条件
备注
原始文献
M.J.Vold （Anal.Chem. 21.688.1949）
若将在实验温区内呈热稳定的已知物质(即参比物)和试样一起放人一个加 热系统中(见图 1)，并以线性程序温度对它们加热。在试样没有发生吸热或放热 变化且与程序温度间不存在温度滞后时，试样和参比物的温度与线性程序温度是 一致的。若试样发生放热变化，由于热量不可能从试样瞬间导出，于是试样温度 偏离线性升温线，且向高温方向移动。反之、在试样发生吸热变化时，由于试样 不可能从环境瞬间吸取足够的热量，从而使试样温度低于程序温度。只有经历一 个传热过程试样才能回复到与程序温度相同的温度。
物质在加热或冷却过程中会发生物理变化或化学变化，与此同时，往往还伴 随吸热或放热现象。伴随热效应的变化，有晶型转变、沸腾、升华、蒸发、熔融 等物理变化，以及氧化还原。分解、脱水和离解等化学变化。另有—些物理变化， 虽无热效应发生但比热容等某些物理性质也会发生改变、这类变化如玻璃化转变 等。物质发生焓变时质量不一定改变，但温度是必定会变化的。差热分析正是在 物质这类性质基础上建立的一种技术。
差热分析法
差热分析法基本原理差热分析法——Differential Thermal Analysis (DTA)是在程序控制温度下，测量试样与参比物质之间的温度差ΔT与温度T（或时间t）关系的一种分析技术，所记录的曲线是以ΔT 为纵坐标,以T（或t）为横坐标的曲线，称为差热曲线或DTA曲线，反映了在程序升温过程中，ΔT与T或t的函数关系：ΔT = f ( T ) 或f ( t )参比物质为一种在所测量温度范围内不发生任何热效应的物质。
通常使用的参比物质是灼烧过的α-Al2O3或MgO。
图17.6为DTA原理示意图。
加热时，温度T及温差△T分别由测温热电偶及差热电偶测得。
差热电偶是由分别插在试样S和参比物R的二支材料、性能完全相同的热电偶反向相连而成。
当试样S没有热效应发生时，组成差热电偶的二支热电偶分别测出的温度T s、T R相同，即热电势值相同，但符号相反，所以差热电偶的热电势差为零，表现出ΔT=T s-T R=0，记录仪所记录的ΔT曲线保持为零的水平直线，称为基线。
若试样S有热效应发生时，T s≠T R，差热电偶的热电势差不等于零，即ΔT=T s-T R≠0，于是记录仪上就出现一个差热峰。
热效应是吸热时，ΔT=T s-T R＜0，吸热峰向下，热效应是放热时，ΔT＞0，放热峰向上。
当试样的热效应结束后，T s、T R又趋于一样，ΔT恢复为零位，曲线又重新返回基线。
图17.7为试样的真实温度与温差比较图。
差热峰反映试样加热过程中的热效应，峰位置所对应的温度尤其是起始温度是鉴别物质及其变化的定性依据，峰面积是代表反应的热效应总热量，是定量计算反应热的依据，而从峰的形状（峰高、峰宽、对称性等）则可求得热反应的动力学参数。
表17.2列出了各种吸热和放热体系的类型，供判断差热峰产生机理时参考。
表17.2 差热分析中吸热和放热体系的主要类型现象(物理的原因)吸热放热现象(化学的原因)吸热放热结晶转变○○化学吸附○熔融○析出○气化○脱水○升华○分解○○吸附○氧化度降低○脱附○氧化（气体中）○吸收○还原（气体中）○氧化还原反应○○固相反应○○影响DTA的因素影响DTA的因素很多，下面讨论几种主要的因素：★升温速度的影响保持均匀的升温速度(ψ)是DTA的重要条件之一，即应：ψ = dT R / dt = 常数若升温速度不均匀(即ψ有波动)，则DTA曲线的基线会漂移，影响多种参数测量。
差热分析法
差热分析法差热分析法（Differential Thermal Analysis，DTA）是一种常用的热分析技术，它通过比较样品与参比物的温度差异来研究样品的热性质。
DTA技术在化学、材料科学、地质学等多个领域具有广泛的应用。
DTA的工作原理基于样品和参比物在受热过程中吸收或释放热量的差异。
在实验中，样品和参比物被放置在两个相邻的炉区，受同等程度的升温条件控制。
当样品发生物理或化学变化时，其吸热或放热会导致样品与参比物温度的差异。
这些温度差异会通过一个差温探测器进行检测和记录。
DTA实验中，样品和参比物通常以粉末或粒状形式存在。
粉末样品可在合适的容器中进行测试，而固体样品则需先研磨成粉末以方便测试。
样品和参比物应具有相似的物理和化学性质，以确保实验的准确性和可靠性。
在DTA实验中，通常以升温速率为X轴，差温信号（样品与参比物温度差异）为Y轴来绘制曲线图。
曲线上出现的峰或谷表示样品发生了热事件，如相变、化学反应、放热或吸热过程等。
通过对峰的位置、峰的形状和峰的峰值进行分析，可以获得有关样品的热性质和热行为的信息。
DTA技术广泛应用于材料研究、催化剂研究、岩石和土壤分析、陶瓷研究等领域。
它可以用于研究材料的熔化过程、晶体相变、氧化、还原、析出和溶解等反应。
同时，DTA还可以用来测定热容、热导率、热膨胀系数等热性质参数。
通过结合其他热分析技术，如差热/差热衍生物分析（DTA/DSC）和差热差热衍生物重量分析（DTA/TGA），可以对样品进行更全面和深入的分析。
总之，差热分析法是一种用于研究样品热性质和热行为的重要工具。
它通过比较样品与参比物的温度差异，可以揭示样品发生的热事件和热特性，为材料研究和过程分析提供了有力的支持。
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第 二 节
差热分析（DTA ）
Differential Thermal Analysis 差热分析的基本概念
差热分析：是指在程序控制温度下测量物质和参比物的温度差与温度关系的技术。
差热曲线：描述样品与参比物之间的温度差（ΔT ）随温度（T ）或时间（t ）变化的曲线。
程序控制温度：指按一定的速率升温（或降温）。
参比物：指在分析温度范围内不产生热效应（既不吸热，也不放热）的物质。
差热分析仪的结构及工作原理
差热分析仪的工作原理 把试样（S ）和参比物（R ）分别装入两个坩埚，放在电炉中按一定的速率加热。
在此过程中，如果试样发生物理变化或化学变化，并伴随有热效应，即发生吸热或放热现象，试样的温度（TS ）将低于或高于参比物的温度（TR ），从而产生一定的温度差（ΔT= TS - TR ）。
~
用同极串联的一对相同的热电偶构成的差热电偶可将试样与参比物的温度差转变为温差电动势U △T 。
将这个温差电动势放大，并用来调节记录仪的记录笔或显象管亮点的纵坐标，就可以将试样与参比物的温度差随温度（T ）或时间（t ）的变化曲线（ ΔT - T 曲线）记录下来。
差热曲线提供的信息
峰的个数：吸热和放热过程的个数。
峰的位置：吸热和放热过程发生的温度。
峰的性质：向上，放热；向下，吸热。
峰的形状：热反应的速率。
峰的面积：吸收或释放的热量的多少。
基线的位置：样品与参比物的比热关系。
基线的长度：物质稳定存在的温度区间。
峰的面积与吸收或释放的热量的关系 ~ 峰的面积与吸收或释放的热量成正比。
式中， A 是吸热峰或放热峰的面积；ma 是试样中反应物的质量；ΔH 是单位反应物吸收或释放的热量，即单位反应物的焓变；g 是与仪器有关的系数； λs 是试样热导率。
利用Speil 公式，可以根据峰的面积求得反应过程中的焓变和反应物质的量。
S
a
t t a
g H m dt T T A λ∆=∆-∆=⎰
2
1])([
ΔH= gλs A/ ma ma= A gλs / ΔH
基线的位置与样品和参比物的比热关系
CR—参比物的比热
CS—试样的比热
V —升温速率
|
k —比例常数
加热过程中会产生吸热或放热效应的各种物理化学过程
脱水作用—吸热
•自由水：存在于物质颗粒表面或微型裂隙中的水，110℃以下脱出。
•结晶水：以中性水分子的形式存在于结晶物质晶格中的水，200~500℃脱出。
•结构水：以(OH)－或(H3O)+离子形式存在于结晶物质晶格中的水，500~900 ℃脱出。
自由水脱出—吸热
加热过
程中有
热效应
的各种
物理化
学过程
脱水作用
分解作用
同质多象转变
氧化作用
：
结晶作用
熔化、蒸发与升华
V
k
C
C
T S
R
a
-
=
∆)
(
&
结晶水脱出—吸热
结构水脱出—吸热
分解作用—吸热CaCO3MgCO3
&
同质多象转变—吸热或放热
氧化作用—放热结晶作用—放热；
影响差热曲线特征的因素
:
试样粒度的影响
• 粒度变化不仅会引起反应速率的变化，而且会引起装填密度的变化。
后者会引起热导率和
扩散速率的变化。
这些变化都会影响到吸热或放热反应的速率，从而影响差热曲线的特征。
• 试样粒度细化，会使结晶度下降和缺陷增多，导致内能增加，反应温度下降，吸热量减少，
造成差热曲线峰位向低温方向漂移和峰面积减小。
实例：试样粒度对CuSO4·5H2O 差热曲线的影响
影响差热曲线特征
仪器因素
样品特性
?
实验条
件
试样的粒度 结晶程度 升温速率 气氛 压
力
走纸速率 稀释剂 参
比
物
△T 放大倍率
<
一般差热分析试样的粒度以~0.25mm(60目~150目)为宜。
试样结晶度的影响
无定形或非晶质试样的内能较高，反应温度偏低，峰位一般向低温方向飘移。
升温速率的影响
升温速率会影响峰的形状、位置和相邻峰的分辨率。
、
升温速率大，峰的形状陡，峰顶温度高。
升温速率大，相邻峰分辨率下降，但对小峰的
检测灵敏度提高。
升温速率大，峰的形状陡，峰顶温度高。
！
升温速率的选择
•无机物试样，升温速率一般为8~12℃/min，
也有人用20℃/min；
•制作相图时升温速率一般为5℃/min以下；
•液态试样，升温速率一般5℃/min。
•聚合物，有人用1~10℃/min，也有人用~3℃/min。
•,
•纤维试样，大多采用10℃/min。
•有机物试样，一般采用~3℃/min。
气氛的影响：炉内气氛对有气体参与或有气体放出的反应有明显影响。
压力的影响：压力对有气体参与或有气体放出的反应和气化升华等过程的温度有较大影响。
压力降低，峰顶温度向低温方向飘移。
△T的放大倍数和走纸速率的影响
增加△T 的放大倍数，峰高将增大，仪器能够感知更小的温度差，即提高了仪器的灵敏度。
对于快速反应，尤其是紧邻的快速反应，提高走纸速率能更明显地反映热反应的变化过程。
试样用量的影响
•
'
• 试样用量少，峰的面积小，反应温度偏低。
• 试样用量少，基线漂移小。
• 试样用量少，分辨率高。
• 试样用量应根据仪器的灵敏度而定。
仪器灵敏度越高，试样用量越少。
实例：草酸锌的差热分析
稀释剂的影响
• 添加稀释剂与减少试样用量有类似的作用效果。
• 添加稀释剂的目的： 减小基线漂移 :
防止试样烧结
增加试样的透气性 防止试样喷溅
• 常用的稀释剂有：参比物和其它惰性材料 参比物的影响
• 参比物的性质会影响基线的形状和位置。
• 为了获得尽可能与零线接近的基线，应选择与试样的比热和热导率最接近的材料做参比物。
仪器方面的因素 -
炉子的形状和大小、加热方式、样品支持器的材料与形状、热电偶及测温方法、电子仪器的工作状态
差热分析送样要求
S a
g H m A λ∆=V
K C C T R S a -=∆)(
•样品要有明显的热效应；
•样品要有代表性；
•样品粒度：~0.25mm(100目~60目)；
•样品重量：~1g；
•写明分析目的和要求；
•附上其它有关资料，以便对曲线进行解释。
差热分析在材料研究中的应用
•《
•物质的鉴定
•相变点、居里点的测定：测定熔点、测定沸点、测定同质多象转变点、测定居里点•相图的制作
•工艺参数的确定
•热稳定性研究
•反应动力学研究
鉴定含水矿物
鉴定高温下会分解的矿物
鉴定含变价元素的化合物
—
测定非晶态物质的结晶温度。