第五章热分析
1.何谓热分析？简述热分析的三个条件。
答：在程序温度控制下测量物质的物理性质与温度关系的一类方法的统称。
三个条件：a.必须是测量物质的某种物理性质
b.测量的物理量必须直接或间接的与温度之间有某种依赖关系
c.必须在程控温度下测定
2.简述热重分析（TG）分析的定义、原理和影响因素。
定义：是一种在程控温度下的测量物质质量随温度变化的热分析技术
原理：许多物质在加热过程中会在特定温度下发生分解，脱水，氧化，还原和升华等物理变化而出现质量变化，其质量变化的温度T和质量变化百分
数%随物质的结构和组成而异。
影响因数：1.分析仪器因数：a.加热炉内的气体的浮力和对流作用 b.坩埚和支架的影响
2.实验条件和实验参数：a.升温速度b.实验气氛c.试样用量d.试样
粒度
3.DTG（微分热重分析）曲线中的峰是何物理含义，峰的积分面积
与质量变化是何种关系？
峰的物理含义：DTG曲线上的峰表示质量变化速率最大点，作为质量变化/分解过程的特征温度，代替TG曲线上的阶梯。
关系：峰面积正比于试样质量。
4.TG-DTG综合分析有何优势和注意事项？
1.同时获得TG和DTG两条曲线;
2.DTG曲线可准确显示出起始反应温度，到达最大反应速率温度和反应终止
温度;
3.当TG曲线不能清楚显示某些受热过程中出现的台阶时，可采用DTG曲线
使其清楚显示，但需将TG曲线和DTG曲线重叠，并分析各个反应阶段的起始温度、最大反应速度温度和终止温度;
4.利用DTG曲线峰面积与样品质量之间的依赖关系，可开展热过程中质量变
化的定量分析;
5.DTG能精确显示微小质量变化的起点;
6.不能将DTG曲线的峰顶温度当成分解温度，DTG的峰顶温度表示在这个温
度下质量变化速率最大，绝对不是样品开始分解和质量损失的温度.
5.何谓DTA（差热分析）分析？DTA分析的基本原理是什么？
答：一种在程控温度下测量试样温度Ts和参比物温度Ty的温度差与温度之间依赖关系的热分析方法。△T=Ts-Ty=f(T或t) T—程控温度t—时间基本原理：物质在加热过程中的某一特定温度下发生的失水、分解、相变、氧化还原、升华、熔融。晶格破坏和重建、以及物质间的相互作用等一系列物理、化学变化，并伴有吸、放热现象。
将有热效应的试样和一个在一定温度范围内无任何热效应的参比物(如a -A12Q3)在相同条件下同时加热或冷却时，试样与参比物的温度差△T与温度T的关系会出现下列现象：
1．产生热效应
△T=正值，差热曲线出现放热峰
△T=负值，差热曲线出现吸热峰
2．试样没产生热效应
△T=0，差热曲线平直（基线）
6.DTA曲线的纵、横坐标标识的含义是什么？DTA曲线上吸热过程
和放热过程的体现形式如何？DTA曲线上峰、谷面积与什么热学参量有关？
含义：横坐标为温度，纵坐标为试样与参比物的温度差(△T)
形式：曲线向上表示放热，向下表示吸热
关系：与试样热焓有关
7.影响DTA分析和DSC（差示扫描量热）分析的主要因素有哪些？
DTA分析：
仪器因素的影响：加热方式、坩埚、炉子形状、尺寸，温度测量、样品支持器、热电偶
实验条件的影响：升温速率、气氛、压力
试样的影响：样品、样品密度、样品粒度、装填方式
DSC分析：
实验条件影响：升温速率、所通气体
试样性质影响：试样量、试样粒度、试样厚度、试样热历史
8.DTA分析和DSC分析有何区别？
DTA测定的是试样与参比物之间的温度差△T
DSC测定的是热流率dH/dt，定量方便
DTA优点：快速简便
缺点：重复性较差，分辨率不够高
DSC优点：热量定量方便、分辨率高、灵敏度好
缺点：非曲直使用温度低
DTA适用于矿物、冶金等领域
DSC适用于对温度要求不高、灵敏度要求高的有机、高分子及生物化学领域9.何谓DSC分析? DSC分析的基本原理是什么？
在程控温度下，测量输入到物质和参比物之间的能量差（或用温度差换算成能量差）与温度的关系
原理：将有物相变化的样品和在所测定温度范围内不发生相变且没有任何热效应产生的参比物，在相同的条件下进行等温加热或冷却，当样品发生相变时，在样品和参比物之间就产生一个温度差。放置于它们下面的一组差示热电偶即产生温差电势UΔT，经差热放大器放大后送入功率补偿放大器，功率补偿放大器自动调节补偿加热丝的电流，使样品和参比物之间温差趋于零，两者温度始终维持相同。此补偿热量即为样品的热效应，以电功率形式显示于记录仪上。
10.功率补偿型DSC和热流型DSC的分析原理、试样要求和升温速率
有何不同？
功率补偿型DSC
分析原理：整个仪器由两个控制系统进行监控，试祥和参比物分别由独立的加热器和传感器的检测。无论试样是吸热还是放热，均通过功率补偿使试样和参比物的温度保持相同，即处于动态零位平衡状态。
试样要求：两种独立、少量的试样
升温速率：可达500℃/min
热流型DSC
分析原理：△H = k△T将温差转变成热流信号
试样要求：单一大量的试样
升温速率：升温速率慢
11.如何确定外推起始点温度？其物理意义是什么？
在峰的前沿最大斜率的切线与外推基线的交点，意义：反应的起始温度12.DTA分析和DSC分析鉴定物相的依据是什么？
根据物质加热过程所产生的：①峰谷的吸、放热性质②峰值温度③峰谷数目
④峰谷形态
分析放热峰和吸热谷产生原因，解析复杂的DTA(DSC)曲线通常需要与其它解分析测试结果进行综合分析。
13.简述DSC分析技术的主要应用领域。
1.物质鉴定
2.热力学研究
3.物质结构与物质性能关系研究
4.反应动力学研究
14.何谓同步热分析？简述TG-DTA、TG-DSC、TG-DTG-DTA和TG-DTG-DSC主要同步热分析方法的特点和优点。
同步热分析指在同一时间对同一样品使用两种或两种以上的热分析手段，如TG--DTA, TG-DSC，TG-DTG-DTA, TG-DTG-DSC等。
优点：
1.根据某一热效应是否对应质量变化，有助于判别该热效应所对应的物化过程
（如区分熔融峰、结晶峰、相变峰与分解峰、氧化峰等)。
2.在反应温度处找到样品的当前实际质量，有利于反应热焓的准确计算。
3.广泛应用于陶瓷、玻璃、金属/合金、矿物、催化剂、含能材料、塑胶高分
子、涂料、医药、食品等各种领域。
15.DTA与TG在综合热分析曲线DTA-TG上有怎样的对应关系？
从热重法派生出微商热重法(DTG)，即TG曲线对温度(或时间)的一阶导数。
实验可同时得到DTG线和TG线。DTG 曲线能精确地反映起始反应温度、达到最大反应速率的温度和反应终止的温度。在TG上，对应于整个变化过程中各阶段的变化互相衔接而不易区分开，同样的变化过程在DTG曲线上能呈现出明显的最大值。故DTG能很好地显示出重叠反应，区分各个反应阶段，这是DTG的最可取之处。另外，DTG曲线峰的面积精确地对应着变化了的质量，因而DTG能精确地进行定最分析。
第五章 对流换热分析 通过本章的学习，读者应熟练掌握对流换热的机理及其影响因素，边界层概念及其应用，以及在相似理论指导下的实验研究方法，进一步提出针对具体换热过程的强化传热措施。 5.1内容提要及要求 5.1.1 对流换热概述 1．定义及特性 对流换热指流体与固体壁直接接触时所发生的热量传递过程。在对流换热过程中，流体内部的导热与对流同时起作用。牛顿冷却公式w f ()q h t t =-是计算对流换热量的基本公式，但它仅仅是对流换热表面传热系数h 的定义式。研究对流换热的目的是揭示表面传热系数与影响对流换热过程相关因素之间的内在关系，并能定量计算不同形式对流换热问题的表面传热系数及对流换热量。 2．影响对流换热的因素 （1）流动的起因：流体因各部分温度不同而引起密度差异所产生的流动称为自然对流，而流体因外力作用所产生的流动称为受迫对流，通常其表面传热系数较高。 （2）流动的状态：流体在壁面上流动存在着层流和紊流两种流态。 （3）流体的热物理性质：流态的热物性主要指比热容、导热系数、密度、粘度等，它们因种类、温度、压力而变化。 （4）流体的相变：冷凝和沸腾是两种最常见的相变换热。 （5）换热表面几何因素：换热表面的形状、大小、相对位置及表面粗糙度直接影响着流体和壁面之间的对流换热。 综上所述，可知表面传热系数是如下参数的函数 ()w f p ,,,,,,,,h f u t t c l λραμ= 这说明表征对流换热的表面传热系数是一个复杂的过程量，不同的换热过程可能千差万别。 3．分析求解对流换热问题 分析求解对流换热问题的实质是获得流体内的温度分布和速度分布，尤其是近壁处流体内的温度分布和速度分布，因为在对流换热问题中“流动与换热是密不可分”的。同时，分析求解的前提是给出正确地描述问题的数学模型。在已知流体内的温度分布后，可按如下的对流换热微分方程获得壁面局部的表面传热系数 2x x w,x W/(m K)t h t y λ??? ?=- ? ? ??? 由上式可有 2x x w,x W/(m K)h y λθ?θ?? ?=- ? ? ??? 其中θ为过余温度，t t θ=-。
复习题 1、试用简明的语言说明热边界层的概念。 答：在壁面附近的一个薄层内，流体温度在壁面的法线方向上发生剧烈变化，而在此 薄层之外，流体的温度梯度几乎为零， 固体表面附近流体温度发生剧烈变化的这一薄层称为 温度边界层或热边界层。 2、与完全的能量方程相比，边界层能量方程最重要的特点是什么? 答：与完全的能量方程相比，它忽略了主流方向温度的次变化率 适用于边界层内，不适用整个流体。 3、式（5—4）与导热问题的第三类边界条件式（ 2 —17）有什么区另 一个包括h 的无量纲数，只是局部表面传热系数，而整个换热表面的表面系数应该把 牛顿冷却公式应用到整个表面而得出。 4、式（5—4）表面，在边界上垂直壁面的热量传递完全依靠导热，那么在对流换热中，流 体的流动起什么作用? 答：固体表面所形成的边界层的厚度除了与流体的粘性有关外还与主流区的速度有关, 流动速度越大，边界层越薄，因此导热的热阻也就越小，因此起到影响传热大小 5、对流换热问题完整的数字描述应包括什么内容？既然对大多数实际对流传热问题尚无法 求得其精确解，那么建立对流换热问题的数字描述有什么意义? 答：对流换热问题完整的数字描述应包括：对流换热微分方程组及定解条件，定解条件 包括，（1）初始条件 （2 ）边界条件 （速度、压力及温度）建立对流换热问题的数字描述 目的在于找出影响对流换热中各物理量之间的相互制约关系，每一种关系都必须满足动量, 能量和质量守恒关系，避免在研究遗漏某种物理因素。 基本概念与定性分析 5-1、对于流体外标平板的流动， 试用数量级分析的方法， 从动量方程引出边界层厚度 解：对于流体外标平板的流动，其动量方程为: 第五章 2 / 2 A / X ，因此仅 h 答： (5— 4) (丄)h(t w t f ) h (2—11) 式（5—4）中的 h 是未知量，而式（2 —17）中的h 是作为已知的边界条件给出, 此外（2 —17）中的 为固体导热系数而此式为流体导热系数，式（ 5— 4）将用来导出 的如下变化关系式: x
热分析的基础与分析 SII·Nano technology株式会社 应用技术部大九保信明 目录 1．引言。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。1 2．热分析概要。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。1 2-1热分析的基本定义 2-2热分析技术的介绍 2-3热分析结果的主要 3．热分析技术的基本原理。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。3 3-1 差热分析DTA原理 3-2 差热量热DSC原理 3-3 热重TG 原理 3-4 热机械分析TMA原理 4．应用篇。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。7 4-1DSC的应用例 4-1-1聚苯乙烯的玻璃化转变分析 4-1-2聚苯乙烯的融解温度分析 4-1-3比热容量分析 4-2TG/DTA的应用例 4-2-1聚合物的热分析测定 4-2-2橡胶样品的热分析测定 4-2-3反应活化能的解析 4-3TMA的应用例 4-3-1聚氯乙烯样品玻璃化温度的测定 4-3-2采用针入型探针对聚合物薄膜的测定 4-3-3热膨胀，热收缩的异向性解析 结束语。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。14 参考文献
1．前言 与其它分析方法相比，热分析方法研究的历史较为久远，1887年，勒夏特利埃（Le Chatelier）就着手研究差热分析，1915年，我国的本多光太郎开创了热重分析（热天平）。之后，随着电气、电子技术、机械技术的发展，热分析仪器迅速地得到了普及，加之，由于最近该仪器的自动化、计算机化程度的不断提高，热分析技术已作为通用的分析技术之一已被广泛的应用。 热分析技术涉及众多领域，以化学领域为首，热分析技术已广泛应用于物理学、地球科学、生物化学、药学等领域。起初，在这些领域中，热分析主要用于基础性研究。随着研究成果的不断积累、扩大，现已被用于应用开发、材料设计，以及制造工序中的各种条件的研究等生产技术方面。近年来，在日本工业标准/JIS等的试验标准、日本药典等的法定分析法中有些也采用了热分析技术。同时，在产品的出厂检验、产品的验收检查等质量管理、工艺管理领域，热分析也已成为最重要的分析方法之一。 作为热分析技术的最常用的方法，本章主要介绍差热分析（DTA）、差热量热分析（DSC）、热重分析（TG）及热机械分析（TMA）的基本原理以及各种测量技术的典型应用示例。 2．热分析的概要 2-1 热分析的定义 根据国际热分析协会（International Confederation for Thermal Analysis and Calorimetry:ICTA）的定义，热分析为： 热分析技术是在控制程序温度下，测量物质（或其反应生成物）的物理性质与温度（或时间）的关系的一类技术。 图1为根据该定义制作的热分析仪器的示意图。所谓热分析是指，如图1所示将试样放入加热炉中，检测使温度发生变化时所发生的各种性能变化的方法。根据要检测不同的物质性能的变化，热分析技术可以分类为几种不同的热分析技术。 图1热分析仪器的示意图
ANSYS热分析指南(第五章) 第五章表面效应单元 5.1简介 表面效应单元类似一层皮肤，覆盖在实体单元的表面。它利用实体表面的节点形成单元。因此，表面效应单元不增加节点数量（孤立节点除外），只增加单元数量。 ANSYS 5.7中热分析专用表面效应单元为SURF151(2-D)以及SRUF152(3-D)。 有关单元的详细描述请参阅《ANSYS Element Reference》。 5.2表面效应单元在热分析中的应用 利用表面效应单元可更加灵活地定义表面热载荷： 当热流密度和热对流边界条件同时施加于同一表面时，必须将其中一个施加于实体单元表面，另一个施加在表面效应单元。建议将热对流边界施加于表面效应单元。 可将热对流边界条件中的流体温度施加于孤立节点上，将对流系数施加于表面单元，这样，可更灵活地控制对流载荷。 当对流系数随温度变化时，表面效应单元可提供设置计算对流系数的选项。 表面效应单元还可以用于模拟点与面的辐射传热。 5.3表面效应单元的有关热分析设置选项 SURF151是单元可用于多种载荷和表面效应的应用。可以覆盖在任何二维热实体单元的表面(除轴对称谐波单元PLANE75和PLANE78外)。该单元可用于二维热分析，多种载荷和表面效应可以同时存在。SURF151单元有2到4个节点，如考虑对流传热和辐射的影响需要定义一个外部节点。传热量和热对流量
以表面载荷的形式施加在单元上。详细单元说明请参见《ANSYS Theory Reference》。 SURF152是三维热表面效应单元，可用于多种载荷和表面效应的应用。它可以覆盖在任何三维热单元的表面，该单元可用于三维热分析。该单元中多种载荷和表面效应可以同时存在。详细单元说明请参见《ANSYS Theory Reference》。 选定单元： 命令：ET GUI：Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete>Options分析设置选项： 中间节点： Include：keyopt(4)=0 Exclude：keyopt(4)=1 如果实体单元为带中间节点的单元，如Solid90，则设为Include，否则为Exclude。 是否有孤立节点： Exclude：Keyopt(5)=0 Include：Keyopt(5)=1 如果在表面效应单元上施加热流密度，则为Exclude；如果在表面效应单元上施加热对流，则可为Exclude，也可为Include。如果有孤立节点，则对流系数施加在表面效应单元上，流体温度施加在孤立节点上。如果无孤立节点，则对流系数和流体温度都施加在表面效应单元上。 热流密度或对流边界条件： 忽略热流密度和对流边界条件：Keyopt(8)=0
高分子材料研究方法（热分析部分）复习题 一、简答题（7*2分） 二、论述题（8*3分） 三、应用题（15分选作） 一、简答题（7*2分） 1.何谓热分析？请解释“程序温度”，“物质”和“某一物理性质”的含义，常用的热分析仪器。 热分析是测量在受控程序温度条件下，物质的物理性质随温度变化的函数关系的一组技术。“程序温度”是指把温度看作是时间的函数，设计出实验所需要的温度程序。“物质”是指试样本身和试样的反应产物，包括中间产物。“某一物理性质”包括质量、热焓变化、温差、尺寸、机械特性、光学特性、电学特性等。最常用的热分析方法有:差热分析(DTA)、热重分析(TG)、差示扫描量热法(DSC)、静态热机械分析(TMA)和动态热机械分析(DMA)。 2.分别写出DTA，DSC,TG,TMA,DMA的定义，方法原理及主要应用范围。 （1）差热分析DTA是在程序温度控制下，测量试样和参比物的温度差与温度的函数关系的一种技术。 我们把测量的物质称为试样，选取在测量的温度范围内，所测物理性质为热惰性的物质作为参比物，即这种物质在此温度范围内，要测定的物理性质变化小而平稳，成线性变化，不存在突变。如果样品温度为TS，参比物温度为TR，则我们所得到的DTA曲线纵坐标为ΔT= TS - TR 。ΔT为正表示放热反应，ΔT为负表示吸热反应。由此可显示出与热量相伴的物理或化学变化。 使用领域 1：DTA常用来测定物质的熔化、金属与合金的相变、高聚物玻璃转化的温度。2：DTA 可以对物相进行定性分析3：可以使用DTA进行煅烧生产过程模拟。 （2）DSC法是在DTA原理的基础上发展派生而来的。它是在程序控制温度下,测量输入到物质和参比物的功率差与温度的关系的一种技术。 （3）热重分析TG是在程序温度控制下，测量物质质量与温度关系的一种技术，简称TG。如果在程序升温的条件下不断记录试样重量的变化，即可得到TG曲线（图1a）。一般可以观察到二到三个台阶。 主要应用：研究热稳定性、进行高聚物的剖析与鉴定、研究高聚物裂解反应动力学和测定活化能 （4）热机械分析：在程序温度控制下，对一物质施加非振荡负载，测量物质的尺寸变化(形变)、应力与温度的函数关系的技术称为热机械分析。 静态热—力法是对物质施加一定的负荷，测定其形变大小的方法。 应用1. 就一个方法的单性功能而言，TMA曲线的“指纹”性优于DTA或DSC。 2. TMA曲线测得的各种性质，如线膨胀系数（CTE）、热收缩率(ST)和收缩力(SFT)正是纤维应用时所涉及的重要性质。 3. TMA可以检测Tg和Tm等物理相变的温度。 4. 一个重要的应用是收缩动力学和收缩力现象的研究。它是纤维TMA理论研究中的主要内容。 （5）所谓动态力学是指物质在变负载或振动力的作用下所发生的松弛行为。DMA就是研究在程序升温条件下测定动态模量和阻尼随温度的变化一种技术。 应用：1.Tg的测定2.共混高聚物相容性的测定3.增塑对高聚物DMA曲线的影响4. DMA法研究高聚物在Tg以下的分子松弛运动5. 用DMA方法测定热固性树脂的固化过程6. 高聚
R E P O R T
R E P O R T Table of Contents 1 Introduction .............................................................................................................. 3 1.1 基本参数介绍 . (3) 2 Activities ................................................................................................................... 4 2.1 Theta-ja (θja)Junction-to-Ambient (4) 2.1.1 测量方法 .................................................................................................... 4 2.1.2 节温计算公式 (6) 2.2 Theta-jc (θjc) Junction-to-Case (6) 2.2.1 测量方法 .................................................................................................... 6 2.2.2 节温计算公式 ............................................................................................. 6 2.2.3 θjc 与θja 的关系 .. (7) 2.3 Theta-jb (θjb) Junction-to-Board (7) 2.3.1 测量方法 .................................................................................................... 8 2.3.2 节温计算公式 ............................................................................................. 8 2.3.3 θjc 与θja 的关系 .. (8) 2.4 Ψ的含义 (9) 2.4.1 Ψjb ............................................................................................................. 9 2.4.2 Ψjc . (9) 2.5 各种封装的散热效果 (9) 2.5.1 TI PowerPAD 封装的使用注意事项 (10) 3 Results ................................................................................................................... 12 3.1 关于θja θjc ΨJB , ΨJT 使用问题 (12) 4 Discussion .............................................................................................................. 12 4.1 热仿真软件的使用 (12) 5 Conclusions ........................................................................................................... 12 5.1 ............................................................................................................................. 12 6 Abbreviations, Definitiones, Glossary ..................................................................... 13 6.1 ............................................................................................................................. 13 7 Version . (13)
wton’s law of cooling: ?=W/m 2 dx dt q λ?=
Contents 第一节对流换热概述 Analysis on Convection 第二节对流换热微分方程组 The Convection Heat Transfer Equations 第三节边界层换热微分方程组 Convection Differential Equations of Boundary Layer 第四节边界层换热积分方程(自学) 第五节动量传递和热量传递的类比(自学) 第六节相似理论基础 Basis of similarity theory
Convection is the mode of energy transfer between a solid surface and the adjacent liquid or gas that is in motion, and it involves the combined effects of conduction and fluid motion. (流体与固体壁直接接触时所发生的热量传递过程，称为对流换热) The faster the fluid motion, the greater the convection heat transfer. We will study how to calculate the convection heat-transfer coefficient h in Chapter 5 and Chapter 6.
5-1 Analysis on Convection(对流换热概述) Convection transfer problem
第五章热分析 1.何谓热分析？简述热分析的三个条件。 答：在程序温度控制下测量物质的物理性质与温度关系的一类方法的统称。 三个条件：a.必须是测量物质的某种物理性质 b.测量的物理量必须直接或间接的与温度之间有某种依赖关系 c.必须在程控温度下测定 2.简述热重分析（TG）分析的定义、原理和影响因素。 定义：是一种在程控温度下的测量物质质量随温度变化的热分析技术 原理：许多物质在加热过程中会在特定温度下发生分解，脱水，氧化，还原和升华等物理变化而出现质量变化，其质量变化的温度T和质量变化百分 数%随物质的结构和组成而异。 影响因数：1.分析仪器因数：a.加热炉内的气体的浮力和对流作用 b.坩埚和支架的影响 2.实验条件和实验参数：a.升温速度b.实验气氛c.试样用量d.试样 粒度 3.DTG（微分热重分析）曲线中的峰是何物理含义，峰的积分面积 与质量变化是何种关系？ 峰的物理含义：DTG曲线上的峰表示质量变化速率最大点，作为质量变化/分解过程的特征温度，代替TG曲线上的阶梯。 关系：峰面积正比于试样质量。 4.TG-DTG综合分析有何优势和注意事项？ 1.同时获得TG和DTG两条曲线; 2.DTG曲线可准确显示出起始反应温度，到达最大反应速率温度和反应终止 温度; 3.当TG曲线不能清楚显示某些受热过程中出现的台阶时，可采用DTG曲线 使其清楚显示，但需将TG曲线和DTG曲线重叠，并分析各个反应阶段的起始温度、最大反应速度温度和终止温度; 4.利用DTG曲线峰面积与样品质量之间的依赖关系，可开展热过程中质量变 化的定量分析; 5.DTG能精确显示微小质量变化的起点; 6.不能将DTG曲线的峰顶温度当成分解温度，DTG的峰顶温度表示在这个温 度下质量变化速率最大，绝对不是样品开始分解和质量损失的温度. 5.何谓DTA（差热分析）分析？DTA分析的基本原理是什么？
实验七热重分析及综合热分析 一、实验目的与任务 1. 了解热重分析的仪器装置及实验技术。 2. 熟悉综合热分析的特点，掌握综合热曲线的分析方法。 3. 测绘矿物的热重曲线和综合热曲线，解释曲线变化的原因。 二、热重分析的仪器结构与分析方法 热重分析法是在程序控制温度下，测量物质的质量随温度变化的一种实验技术。 热重分析通常有静态法和动态法两种类型。 静态法又称等温热重法，是在恒温下测定物质质量变化与温度的关系，通常把试样在各给定温度加热至恒重。该法比较准确，常用来研究固相物质热分解的反应速度和测定反应速度常数。 动态法又称非等温热重法，是在程序升温下测定物质质量变化与温度的关系，采用连续升温连续称重的方式。该法简便，易于与其他热分析法组合在一起，实际中采用较多。 热重分析仪的基本结构由精密天平、加热炉及温控单元组成。图16示出了上海天平仪器厂生产的PRT－1型普通热天平结构原理图；加热炉由温控加热单元按给定速度升温，并由温度读数表记录温度，炉中试样质量变化可由人工开启天平并记录。自动化程度高的热天平由磁心和差动变压器组成的位移传感器检测和输出试样质量变化引起天平失衡的信号，经放大后由记录仪记录。 图16 PRT－1型热天平结构原理图 由热重分析记录的质量变化对温度的关系曲线称热重曲线（TG曲线）。曲线的纵坐标为质量，横坐标为温度。例如固体热分解反应A（固）→B（固）＋C（气）的典型热重曲线如图17所示。
图17 固体热分解反应的热重曲线 图中T i 为起始温度，即累计质量变化达到热天平可以检测时的温度。T f 为终止温度，即累计质量变化达到最大值时的温度。 热重曲线上质量基本不变的部分称为基线或平台，如图17中ab 、cd 部分。 若试样初始质量为W 0，失重后试样质量为W 1，则失重百分数为（W 0－W 1）/W 0×100%。 许多物质在加热过程中会在某温度发生分解、脱水、氧化、还原和升华等物理化学变化而出现质量变化，发生质量变化的温度及质量变化百分数随着物质的结构及组成而异，因而可以利用物质的热重曲线来研究物质的热变化过程，如试样的组成、热稳定性、热分解温度、热分解产物和热分解动力学等。例如含有一个结晶水的草酸钙（CaC 2O 4·H 2O ）的热重曲线如图18，CaC 2O 4·H 2O 在100℃以前没有失重现象，其热重曲线呈水平状，为TG 曲线的第一个平台。在100℃和200℃之间失重并开始出现第二个平台。这一步的失重量占试样总质量的12.3%，正好相当于每molCaC 2O 4·H 2O 失掉1molH 2O ，因此这一步的热分解应按 O H O CaC O H ·O CaC 242℃ 200℃100242 ~ +????→? 进行。在400℃和500℃之间失重并开始呈现第三个平台，其失重量占试样总质量的18.5％,相当于每molCaC 2O 4分解出1molCO ，因此这一步的热分解应按 CO CaCO O CaC 3℃500 ℃40042~ +????→? 进行。在600℃和800℃之间失重并出现第四个平台，其失重量占试样总质量的30％，正好相当于每molCaC 2O 4分解出1molCO 2，因此这一步的热分解应按 2℃800 ℃60042CO CaO O CaC ~ +????→? 进行。 可见借助热重曲线可推断反应机理及产物。
第五章 复习题 1、试用简明的语言说明热边界层的概念。 答：在壁面附近的一个薄层内，流体温度在壁面的法线方向上发生剧烈变化，而在此薄层之外，流体的温度梯度几乎为零，固体表面附近流体温度发生剧烈变化的这一薄层称为温度边界层或热边界层。 2、与完全的能量方程相比，边界层能量方程最重要的特点是什么？ 答：与完全的能量方程相比，它忽略了主流方向温度的次变化率σα22 x A ，因此仅 适用于边界层内，不适用整个流体。 3、式（5—4）与导热问题的第三类边界条件式（2—17）有什么区别？ 答： =???- =y y t t h λ（5—4） )()( f w t t h h t -=??-λ （2—11） 式（5—4）中的h 是未知量，而式（2—17）中的h 是作为已知的边界条件给出，此外（2—17）中的λ为固体导热系数而此式为流体导热系数，式（5—4）将用来导出一个包括h 的无量纲数，只是局部表面传热系数，而整个换热表面的表面系数应该把牛顿冷却公式应用到整个表面而得出。 4、式（5—4）表面，在边界上垂直壁面的热量传递完全依靠导热，那么在对流换热中，流体的流动起什么作用？ 答：固体表面所形成的边界层的厚度除了与流体的粘性有关外还与主流区的速度有关，流动速度越大，边界层越薄，因此导热的热阻也就越小，因此起到影响传热大小 5、对流换热问题完整的数字描述应包括什么内容？既然对大多数实际对流传热问题尚无法求得其精确解，那么建立对流换热问题的数字描述有什么意义？ 答：对流换热问题完整的数字描述应包括：对流换热微分方程组及定解条件，定解条件包括，（1）初始条件 （2）边界条件 （速度、压力及温度）建立对流换热问题的数字描述目的在于找出影响对流换热中各物理量之间的相互制约关系，每一种关系都必须满足动量，能量和质量守恒关系，避免在研究遗漏某种物理因素。 基本概念与定性分析 5-1 、对于流体外标平板的流动，试用数量级分析的方法，从动量方程引出边界层厚度 的如下变化关系式： x x Re 1 ~δ 解：对于流体外标平板的流动，其动量方程为：
实验五 聚合物差热热重同时热分析法 差热分析是在温度程序控制下测量试样与参比物之间的温度差随温度变化的一种技术。简称DTA(Differential Thermal Analysis)。在DTA 基础上发展起来的另一种技术是差示扫描量热法。差示扫描量热法是在温度程序控制下测量试样相对于参比物的热流速度随温度变化的一种技术。简称DSC （Differential Scanning Calorimetry ）。试样在受热或冷却过程中，由于发生物理变化或化学变化而产生热效应，这些热效应均可用DTA 、DSC 进行检测。DTA 、DSC 在高分子方面的应用特别广泛。它们的主要用途是：①研究聚合物的相转变，测定结晶温度T c 、熔点T m 、结晶度X D 、等温结晶动力学参数。②测定玻璃化转变温度T g 。③研究聚合、固化、交联、氧化、分 解等反应，测定反应温度或反应温区、反应热、 反应动力学参数。 图1 是聚合物DTA 曲线或DSC 曲线的模 式图。 当温度达到玻璃化转变温度T g 时，试样的 热容增大就需要吸收更多的热量，使基线发生位 移。假如试样是能结晶的，并且处于过冷的非晶 状态，那么在T g 以上可以进行结晶，同时放出 大量的结晶热而产生一个放热峰。进一步升温，结晶熔融吸热，出现吸热峰。再进一步升温，试样可能发生氧化、交联反应而放热，出现放热峰，最后试样则发生分解，吸热，出现吸热峰。当然并不是所有的聚合物试样都存在上述全部物理变化和化学变化。 通常按图2 a 的方法确定T g ：由玻璃化 转变前后的直线部分取切线，再在实验曲线 上取一点，使其平分两切线间的距离?，这 一点所对应温度即为T g 。T m 的确定对低分子 纯物质来说，象苯甲酸，如图2 b 所示，由 峰的前部斜率最大处作切线与基线延长线相 交，此点所对应的温度取作为T m 。对聚合物 来说，如图2 c 所示，由峰的两边斜率最大 处引切线，相交点所对应的温度取作为T m 。 或取峰顶温度作为T m 。T c 通常也是取峰顶温 度。峰面积的取法如图2d e 所示。可用求积 仪或剪纸称重法量出面积。由标准物质测出单位面积所对应的热量（毫卡/厘米2），再由测试试样的峰面积可求得试样的熔融热f H ?（毫卡/毫克），若百分之百结晶的试样的熔融热*f H ?是已知的， 则可按下式计算试样的结晶度： 热重分析法简称TGA （Thermogravimetric Analysis ）， 它是测定试样在温度等速上升时%100*???=f f D H H X 结晶度
实验一、综合热分析 一、实验目的 1．了解热失重（TG），差热分析(DTA)和差动热分析(DSC)的基本原理和应用，及相 互间的差别。 2．了解STA449F3 同步热分析仪的构造原理和基本操作。 3．熟练掌握使用STA449F3 同步热分析仪分别测量TG-DTA 和TG-DSC 曲线 4．掌握分析实验数据的步骤，并解释相关现象。 二、实验原理 热分析是测量在受控程序温度条件下，物质本身的质量或热量变化与温度的函数关系 的一组技术。目前热分析已经发展成为系统的分析方法，它包括热失重分析TG、差热分 析DTA 和差动热分析DSC，是材料领域研究工作的重要工具，特别是在高聚合物的分析 测定方面应用非常广泛。它不仅能获得结构方面的信息，而且还能测定多种性能，是材料 测试实验室必备的仪器。 热重分析（TG）是指在程序控制升温条件下，测量物质的质量与温度变化的函数关系，或者测定试样在恒定的高温下质量随时间变化的一种分析技术。热重分析的谱图一般是以 质量W 对温度T 的曲线或者试样的质量变化速度dw/dt 对温度T 的曲线来表示。后者称为 微分热重曲线（DTG）。TG 主要用来研究样品在空气中或惰性气体中热稳定性和分解过程，除此之外，还可研究固相反应，测定水分挥发物或者吸收、吸附和解吸附过程，气化速率、气化热、升华温度、升华热、氧化降解、增塑剂挥发性、水解和吸湿性、塑料和复合材料 的组分等。 差热分析（DTA）是测定试样在受热（或冷却）过程中，由于物理变化或化学变化所 产生的热效应来研究物质转化及化学反应的一种分析方法，简称DTA（Differential Thermal Analysis）。物质发生相变、分解、化合、凝固、脱水、蒸发等过程时都伴有热效 应发生，DTA 可用于测定物质发生热反应时的特征温度及吸收或放出的热量。DTA 的工 作原理为，在进行DTA 测试时，所选用的参比物为空坩埚，加热炉以一定的速率升温， 若试样没有热反应，则它的温度和参比坩埚温度之间的温差ΔT＝0，差热曲线为一条直线，与基线一致；当试样发生了物理或化学变化而吸入或放出热量时，ΔT≠0，在热谱图上会出 现吸热或放热峰，形成ΔT 随温度变化的差热曲线（热谱图），在习惯上通常以温度差ΔT 作纵坐标，吸热峰向下，放热峰向上，温度T 作横坐标，自左向右增加。在热谱图上，由 峰的位置可确定发生热效应的温度，由峰的面积可确定热效应的大小，由峰的形状可了解 有关过程的动力学特性。 差动热分析(DSC) 也叫做差示扫描量热法（Differential Scanning Calorimetry ），是对DTA 的改进。在程序温度下，两侧热电偶实时量到的温度信号差转换为热流信号差，对时 间/温度连续作图后即得DSC 曲线。其原理是，在试样和参比物下增加了两组补偿加热丝，当试样在加热过程中由于热反应而和参比坩埚之间出现温差ΔT 时，此时系统反馈的信号立即使流入补偿丝的电流发生变化。当试样吸热时，补偿使试样一边的电流立刻增大，反之，试样放热时参比物一边的电流增大，直到两边达到热平衡，温差ΔT 消失为止。换句
实验七 热重分析及综合热分析 一、目的与要求 1.了解热重分析的仪器装置及实验技术。 2.了解差热分析的仪器装置及实验技术。 3熟悉综合热分析的特点，掌握综合热曲线的分析方法。 4.测绘矿物的热重曲线和差热分析曲线，解释曲线变化的原因。 二、原理 1 热重分析的仪器结构与分析方法 热重分析法是在程序控制温度下，测量物质的质量随温度变化的一种实验技术。 热重分析通常有静态法和动态法两种类型。 静态法又称等温热重法，是在恒温下测定物质质量变化与温度的关系，通常把试样在各给定温度加热至恒重。该法比较准确，常用来研究固相物质热分解的反应速度和测定反应速度常数。 动态法又称非等温热重法，是在程序升温下测定物质质量变化与温度的关系，采用连续升温连续称重的方式。该法简便，易于与其他热分析法组合在一起，实际中采用较多。 热重分析仪的基本结构由精密天平、加热炉及温控单元组成。如图1所示：加热炉由温控加热单元按给定速度升温，并由温度读数表记录温度，炉中试样质量变化可由天平记录。 由热重分析记录的质量变化对温度的关系曲线称热重曲线（TG 曲线）。曲线的纵坐标为质量，横坐标为温度。例如固体热分解反应A （固）→B （固）＋C （气）的典型热重曲线如图2所示。 图2 固体热分解反应的热重曲线 图中T i 为起始温度，即累计质量变化达到热天平可以检测时的温度。T f 为终止温度，即累计质量变化达到最大值时的温度。 图1 热重分析仪原理
热重曲线上质量基本不变的部分称为基线或平台，如图2中ab 、cd 部分。 若试样初始质量为W 0，失重后试样质量为W 1，则失重百分数为（W 0－W 1）/W 0×100%。 许多物质在加热过程中会在某温度发生分解、脱水、氧化、还原和升华等物理化学变化而出现质量变化，发生质量变化的温度及质量变化百分数随着物质的结构及组成而异，因而可以利用物质的热重曲线来研究物质的热变化过程，如试样的组成、热稳定性、热分解温度、热分解产物和热分解动力学等。例如含有一个结晶水的草酸钙（CaC 2O 4·H 2O ）的热重曲线如图3，CaC 2O 4·H 2O 在100℃以前没有失重现象，其热重曲线呈水平状，为TG 曲线的第一个平台。在100℃和200℃之间失重并开始出现第二个平台。这一步的失重量占试样总质量的12.3%，正好相当于每molCaC 2O 4·H 2O 失掉1molH 2O ，因此这一步的热分解应按 O H O CaC O H ·O CaC 242℃ 200℃100242 ~ +????→? 进行。在400℃和500℃之间失重并开始呈现第三个平台，其失重量占试样总质量的18.5％,相当于每molCaC 2O 4分解出1molCO ，因此这一步的热分解应按 CO CaCO O CaC 3℃500 ℃40042~ +????→? 进行。在600℃和800℃之间失重并出现第四个平台，其失重量占试样总质量的30％，正好相当于每molCaC 2O 4分解出1molCO 2，因此这一步的热分解应按 2℃800 ℃60042CO CaO O CaC ~ +????→? 进行。 可见借助热重曲线可推断反应机理及产物。 图3 CaC 2O 4·H 2O 的热重曲线 2、综合热分析 DTA 、DSC 、TG 等各种单功能的热分析仪若相互组装在一起，就可以变成多功能的综合热分析仪，如DTA －TG 、DSC －TG 、DTA －TMA （热机械分析）、DTA －TG －DTG （微商热重分析）组合在一起。综合热分析仪的优点是在完全相同的实验条件下，即在同一次实验中可以获得多种信息，比如进行DTA －TG －DTG 综合热分析可以一次同时获得差热曲线、热重曲线和微商热重曲线。根据在相同的实验条件下得到的关于试样热变化的多种信息，就可以比较顺利地得出符合实际的判断。 综合热分析的实验方法与DTA 、DSC 、TG 的实验方法基本类同，在样品测试前选择好测量方式和相应量程，调整好记录零点，就可在给定的升温速度下测定样品，得出综合热曲线。 综合热曲线实际上是各单功能热曲线测绘在同一张记录纸上，因此，各单功能标准热曲线可以作为综合热曲线中各个曲线的标准。利用综合热曲线进行矿物鉴定或解释峰谷产生的
[分享]热分析的基础与分析发现一篇不错的文章，对热分析进行了比较详细的介绍，分享给大家。 热分析的基础与分析 SII·Nano technology株式会社 热分析的基础与分析 目录 1．引言 2．热分析概要 2-1热分析的基本定义 2-2热分析技术的介绍 2-3热分析结果的主要 3．热分析技术的基本原理 3-1差热分析DTA原理 3-2差热量热DSC原理 3-3热重TG原理 3-4热机械分析TMA原理 4．应用篇 4-1 DSC的应用例 4-1-1聚苯乙烯的玻璃化转变分析 4-1-2聚苯乙烯的融解温度分析 4-1-3比热容量分析 4-2 TG/DTA的应用例 4-2-1聚合物的热分析测定 4-2-2橡胶样品的热分析测定 4-2-3反应活化能的解析 4-3 TMA的应用例 4-3-1聚氯乙烯样品玻璃化温度的测定 4-3-2采用针入型探针对聚合物薄膜的测定 4-3-3热膨胀，热收缩的异向性解析 结束语 参考文献
1．前言 与其它分析方法相比，热分析方法研究的历史较为久远，1887年，勒夏特利埃（LeChatelier）就着手研究差热分析，1915年，日本的本多光太 郎开创了热重分析（热天平）。之后，随着电气、电子技术、机械技术的发展，热分析仪器迅速地得到了普及，加之，由于最近该仪器的自动 化、计算机化程度的不断提高，热分析技术已作为通用的分析技术之一已被广泛的应用。热分析技术涉及众多领域，以化学领域为首，热分析 技术已广泛应用于物理学、地球科学、生物化学、药学等领域。起初，在这些领域中，热分析主要用于基础性研究。随着研究成果的不断积累 、扩大，现已被用于应用开发、材料设计，以及制造工序中的各种条件的研究等生产技术方面。近年来，在日本工业标准/JIS等的试验标准、 日本药典等的法定分析法中有些也采用了热分析技术。同时，在产品的出厂检验、产品的验收检查等质量管理、工艺管理领域，热分析也已成 为最重要的分析方法之一。作为热分析技术的最常用的方法，本章主要介绍差热分析（DTA）、差热量热分析（DSC）、热重分析（TG）及热机 械分析（TMA）的基本原理以及各种测量技术的典型应用示例。 2．热分析的概要 2-1热分析的定义 根据国际热分析协会（International Confederation for ThermalAnalysis and Calorimetry:ICTA）的定义，热分析为：热分析技术是在控 制程序温度下，测量物质（或其反应生成物）的物理性质与温度（或时间）的关系的一类技术。 图1为根据该定义制作的热分析仪器的示意图。所谓热分析是指，如图1所示将试样放入加热炉中，检测使温度发生变化时所发生的各种性能变
1 传热分析与模型建立 1.1 路面太阳能集热系统 路面太阳能集热系统如图1-(a)所示。夏季集热蓄能的过程为太阳能热源加热路面，通过路面内部导热把收集的热量传递给路面埋管内的流体，此时流体被加热为热流体，热流体经泵送至地下换热器组；然后，通过换热器与土壤之间换热，把热量传递给土壤进行储存。换热器与土壤进行换热后的流体温度下降，变成冷流体后通过回水泵送至地面再次参与路面集热换热。 （a）集热路面平面图（b）集热路面纵面图 图1 路面太阳能集热系统 Fig.1 schematic progress of HSC 1.2热模型的基本假设条件 太阳能路面集热过程是一个复杂的传热过程，根据路面集热系统的结构特点和传热特性，可以把路面的集热简化成准三维模型，为了简化分析需做以下的基本假设：(1) 由于管轴线方向管壁温度变化很小，故可认为管壁面温度沿轴线方向不变；(2) 认为各层材料物性均匀恒定，并且忽略层与层之间的接触热阻；(3) 由于管间的温度分布具有对称性，在取传热计算单元时，可设其温度分布对称处为绝热；(4) 管子弯曲处的温度变化经实验证明与直段的相差不大，因此计算时近似认为弯曲的部分为直段。 1.3模型的建立 考虑到在路面除了最边缘的管外，其他各管的分布基本相同，所以可将其看为周期模型，根据对称性建立计算单元如图2－(a)所示。设计算模块xyz方向的长度分别为m、 、l。根据前面的假设条件可以把计算单元简化成图2-(b)所示。
(a) 三维单元格图示 (b)二维单元格图示 图2 计算单元示意图 Fig.2 schematic of calculation region 1.3.1控制方程 应用传热机理对图2-(b)所示的计算区域进行分析，传热单元满足下述导热微分方程： ??? ? ????+??=??2222y T x T c t T ρλ (1) 其中：T ——表示温度，℃；t ——表示时间，s 。 1.3.2初始条件 00T T t == (2) 其中：0 T ——表示路面初始温度，℃。 1.3.3边界条件 （1）由于结构的对称性ab 、cd 、ef 可视为绝热边界，同时由于保温材料的绝热性bc 可视为绝热边界，即 ab y t x T x ∈>=??-=,0,00 (3) ef cd y t x T m x ,,0,0∈>=??- = (4) bc x t y T y ∈>=??-=,0,00 (5) （2）af 可视为第二类边界条件
1.什么是热分析？ 热分析 程序温度下，测物质的物理性质与温度关系的一类技术 只要将总定义中的物理性质代换成诸如质量、温差等物理量，就很容易得到各种热分析方法的定义 热重法 程序温度下，测量物质的质量与温度关系的技术 差热分析 程序温度下，测物质和参比物的温度差与温度关系的技术 2.热分析包括： 差示扫描热量法 差热分析 热重法 3.热重（TG）基本原理 在程序温度（升／降／恒温及其组合）过程中,观察样品的质量随 温度或时间的变化过程。 应用： 质量变化热稳定性分解温度组分分析脱水 腐蚀/氧化还原 反应动力学 4.同步热分析的优势 样品的TG(质量变化) 和DSC(热量) 效应可以在一次测量中完成 ?缩短测试时间 ?确保了测试结果的可比性 不会受测试条件的影响 不会受样品制备的影响 不会受材料的不均一性的影响 5.常规 DTA测量方法 恒定加热速率时，测样品温度的变化速率 通常T稳速上升，熔化或吸/放热反应T平台 参比物：在所测范围内不发生任何热效应 记录样品与参比物之间的温差 Al2O3 6.DSC 基本原理及应用 在程序温度（升／降／恒温及其组合）过程中，测量样品与参考物之间的热流差，以表征所有与热效应有关的物理变化和化学变化。
7.第一次升温 ： ● 玻璃化转变在转变区域往往伴随有应力松弛峰 ● 热固性树脂：若未完全固化，第一次升温Tg 较低，伴有不可逆的固化放热峰 ● 部分结晶材料：计算室温下的原始结晶度 ● 吸水量大的样品（如纤维等）：往往伴有水分挥发吸热峰，可能掩盖样品的特征转变 高分子材料的二次升温 ● 玻璃化转变：消除了应力松弛峰，曲线形状典型而规整 ● 热固性树脂（未完全固化）：玻璃化温度一般会提高。 ● 部分结晶材料：经过特定冷却条件（结晶历史）研究结晶度、晶体熔程／熔融热焓与结晶历史关系。 ● 易吸水样品：消除了水分的干扰，得到样品的真实转变曲线 ● 横向样品比较，消除了热历史的影响，有利于比较样品的性能差异 8.高分子测试一定需要二次升温吗？ 取决于您希望看到什么样的结果 关注样品原始的信息：一次升温 消除热历史或力学历史：二次升温 各样品在相同的起点上进行本身性能的比较：二次升温 热固性材料：第一次和第二次升温都很重要 要注意选择合适的降温条件。 应用： ? 玻璃化转变 ? 熔融、结晶 ? 熔融热、结晶热 ? 共熔温度、纯度 ? 物质鉴别 ? 相容性 ? 热稳定性、氧化稳定性 ? 反应动力学 ? 热力学函数 ? 液相、固相比例