Контрольные вопросы

1. На чем основаны термические методы анализа? - Термические методы анализа основаны на взаимодействии вещества с тепловой энергией.

2. Какие бывают виды термического анализа? – термогравиметрия, метод дифференциальной термогравиметрии, дифференциальный термический анализ, дилатометрия, дифференциальная сканирующая калориметрия.

3. Какие виды измерения можно проводить с помощью термических методов анализа?

Термический анализ — раздел материаловедения, изучающий изменение свойств материалов под воздействием температуры. Обычно выделяют несколько методов, отличающихся друг от друга тем, какое свойство материала измеряется:

• Дифференциально-термический анализ (ДТА): температура

• Дифференциально-сканирующая калориметрия (ДСК): теплота

• Термогравиметрический анализ (ТГА): масса

• Термомеханический анализ (ТМА): линейный размер

• Дилатометрия (Дил): объём

• Динамический механический анализ (ДМА): механическая жёсткость и амортизация

• Диэлектрический термический анализ (ДЭТА): диэлектрическая проницаемость и коэффициент потерь

• Анализ выделяемых газов (ГТА): газовые продукты разложения

• Термооптический анализ(ТОА): оптические свойства

• Визуально-политермический анализ (ВПА): форма

• Лазерный импульсный анализ (ЛПА): температурный профиль

• Термомагнитный анализ(ТМА): магнитные свойства

Термический анализ также часто используется как один из основных методов изучения теплопередачи через структуры. Базовые данные для моделирования поведения и свойств таких систем получают измеряя теплоёмкость и теплопроводность.

4. Какие условия надо учитывать при проведении термических методов анализа? Какие факторы влияют на результат термических методов анализа?

Можно выделить группы факторов, оказывающих влияние на результаты ДСК результатов.

 Факторы, связанные с измерительным прибором:

o Атмосфера печи;

o Размер и форма печи;

o Материал держателя образца;

o Геометрия держателя образца;

o Скорость нагрева;

o Размещение термопары относительно образца;

 Характеристики образца:

o Размер частиц образца;

o Масса образца;

o Теплопроводность;

o Теплоемкость;

o Плотность упаковки частиц образца;

o Усадка образца;

o Степень кристалличности;

5. На каком явлении основан метод дифференциального термического анализа?

дифференциальный термический анализ (ДТА), основанный на изменении энтальпии вещества при нагревании (регистрируемым параметром является выделяемая или поглощаемая теплота);

6. Приведите примеры процессов, протекающих с выделением тепла, с поглощением тепла.

Тепловой эффект реакции - это результат изменения химической энергии, происходящего при химических превращениях. Но химические превращения влекут за собой и изменения физических свойств: объема, плотности, теплоемкости, теплопроводности и т .п., что сказывается и на тепловом эффекте реакции.

Реакции, которые протекают самопроизвольно при обыных условиях, скорее всего экзотермические. Для запуска экзотермических реакций может потребоваться инициация – нагревание и др.

Например, после поджигания горение угля протекает самопроизвольно, реакция экзотермическая:

C + O2 = CO2 + Q

Реакции образования устойчивых веществ из простых веществ экзотермические, реакции разложения чаще всего – эндотермические.

Например, разложение нитрата калия сопровождается поглощением теплоты:

2KNO3 → 2KNO2 + O2 – Q

Реакции, в ходе которых из менее устойчивых веществ образуются более устойчивые, чаще всего экзотермические. И наоборот, образование более устойчивых веществ из менее устойчивых сопровождается поглощением теплоты.

Устойчивость можно примерно определить по активности и стабильности вещества при обычных условиях. Как правило, в быту нас окружают вещества сравнительно устойчивые.

Например, горение амиака (взаимодействие активных, неустойчивых веществ — аммиака и кислорода) приводит к образованию устойчивых веществ – азота и воды.

Следовательно, реакция экзотермическая: 4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O + Q

Количество теплоты обозначают буквой Q, измеряют в кДж (килоджоулях) или Дж (джоулях)

Экзотермические эффекты на термограмме обусловливаются: переходом аморфного состояния в кристаллическое, полиморфным переходом неустойчивой модификации в устойчивую, окислением составляющих компонентов материала, восстановлением материала, реакцией выгорания углистых отложений на катализаторах, сорбентах и т. д.

Эндотермические эффекты могут проявляться при разложении контактной массы без выделения газообразной фазы, разложением контактной массы с выделением газообразной фазы, плавления материала.

7. Как выглядит дифференциальная термограмма для вещества, претерпевшего эндотермическое превращение; экзотермическое превращение; в отсутствии фазовых превращений?

Принято считать, что при эндотермических реакциях дифференциальная кривая отклоняется от нулевой линии вниз, а при экзотермических реакциях — вверх. Степень отклонения (температурный пик) характеризует степень различия температур образца и эталона и является качественным и количественным показателем реакции . Если теплофизические свойства эталона и исследуемого вещества совпадают и последнее при нагревании не испытывает никаких превращений, то разность температур АТ = О, и термограмма (рис. 150, линия 1) имеет вид прямой линии, совпадающей с осью абсцисс.

8. Какими способами определяются температуры начала и конца пика тепловых эффектов?

Термический анализ представляет собой способ изучения превращений в материалах по временны м зависимостям температуры образца в процессе непрерывного охлаждения или нагрева. Зависимости температуры образца от времени называют термограммами, а также кривыми нагрева или охлаждения.

Термограммы позволяют определить температуры начала и конца превращения. Кроме того, термический анализ дает возможность получить информацию о характере протекающего в материале превращения. В частности, можно установить, протекает ли превращение при постоянной температуре или в интервале температур, является ли превращение обратимым или необратимым, экзотермическим (превращение, протекающее с выделением энергии) или эндотермическим (превращение при котором энергия поглощается).

Форма пиков зависит, главным образом, от скорости подъема температуры в печи — при медленном нагревании они получаются широкими, а при быстром — узкими и острыми, а также от количества исследуемого материала. Если вещества немного, экстремумы кривых имеют более заостренную форму.

На одном и том же листе фотобумаги, кроме температурной и дифференциальной кривых нагревания, дериватограф позволяет одновременно автоматически получить простую (интегральную) и дифференциальную кривые потери массы.

Амплитуда пика (ВГ) характеризует интенсивность термического процесса; площадь (АБВГ), ограниченная пиком на кривой, прямо пропорциональна величине теплового эффекта превращения и обратно пропорциональна коэффициенту теплопроводности образца. Кривая ДТА позволяет обнаружить даже самые незначительные термические эффекты, но сама по себе она не позволяет определить температуры соответствующих процессов, поэтому дифференциальную форму записи всегда комбинируют с простой, т.е. записывают одновременно две кривых: Т – для определения температуры превращения и ДТА – для повышения чувствительности метода.

9. Для чего нужен эталон при дифференциальной записи термограмм? Какие требования предъявляют к эталону?

При проведении дифференциального термического анализа в процессе нагревания или охлаждения регистрируется разность температур между изученным веществом и эталоном.

Эталон подбирают таким образом, чтобы он не претерпевал фазовых превращений, а его теплоемкость и теплопроводность были сопоставимы с таковыми образца. В противоположном случае термоЭДС дифференциальной термопары и в отсутствие превращения отклоняется от нулевой линии. Размеры образца и эталона следует выбирать так, чтобы

где С — удельная теплоемкость; m — масса.

В случае медленного нагрева эталон можно вообще не использовать, а второй спай дифференциальной термопары помещать непосредственно в блок.

Эталон и исследуемое вещество помещают одновременно в одну печь, чтобы они находились в одинаковом температурном поле.

Обычно при анализе неметиллических веществ в качестве эталонного вещества используют прокаленные при 1300°С оксид магния или оксид алюминия, а для низкотемпературных анализов − NaCl и KCl.

10. Как называется прибор для съемки термограмм, его основные узлы.

Теплови́зор (тепло + лат. vīsio «зрение; видение») — устройство для наблюдения за распределением температуры исследуемой поверхности. Распределение температуры отображается на дисплее как цветная картинка, где разным температурам соответствуют разные цвета. Изучение тепловых изображений называется термографией.

Термические методы анализа позволяют фиксировать кривые нагревания (или охлаждения) исследуемого образца – изменение температуры последнего во времени. Кривая записи изменения какого-либо свойства вещества от времени нагрева называется термограммой.

При термографическом анализе регистрируемой характеристикой вещества является температура Т как функция времени . При этом записывается термограмма в координатах Т- (абсолютная схема эксперимента). Наиболее ценную информацию получают методом дифференциально-термического анализа (ДТА), при котором измеряется разность температур Т исследуемого образца и инертного эталона (рис.1). В качестве эталона используют вещество, не претерпевающее термических превращений в данном температурном интервале этом термограмма записывается в координатах ?Т - (дифференциальная схема эксперимента). На рис. 2 представлена схематическая кривая ДТА полимера, охватывающая всю температурную область существования полимера. Пики, расположенные над основной (базовой) линией, обычно соответствуют экзотермическим процессам (кристаллизация, окисление), а пики под основной (базовой) линией - эндотермическим (плавление, деструкция), для стеклования характерен перегиб на кривой ДТА.

Рис. 1. Схема прибора для дифференциально-термического анализа:

1 - регистратор разности температур;

2 - регистратор температуры образца;

3 - комбинированная термопара;

4 - блок дли исследуемого образца и инертного вещества;

5 - печь; 6 - ячейка с исследуемым образцом;

7 - термопара;

8 - программный регулятор нагрева печи;

9 - ячейка с инертным веществом