热分析技讲义术概念
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《热力学第一定律》讲义一、热力学第一定律的引入在探索自然界的能量转化和守恒规律的过程中,热力学第一定律应运而生。
它是热力学的基础,对于理解各种热现象和能量转换过程具有至关重要的意义。
想象一下,我们生活中的各种能量形式,比如热能让我们感到温暖,机械能让机器运转,电能点亮灯光。
那么,这些不同形式的能量之间是如何相互转换的?又是否存在某种不变的规律呢?这就是热力学第一定律要回答的问题。
二、热力学第一定律的表述热力学第一定律可以表述为:能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只会从一种形式转化为另一种形式,或者从一个物体转移到另一个物体,而在转化和转移的过程中,能量的总量保持不变。
这看似简单的一句话,却蕴含着深刻的物理内涵。
它意味着我们的宇宙是一个封闭的能量系统,能量的流动和变化有着严格的规律可循。
为了更直观地理解这一定律,我们可以举几个例子。
比如,当我们燃烧煤炭来加热水时,煤炭中的化学能通过燃烧转化为热能,然后热能传递给水,使水的温度升高。
在这个过程中,总能量始终保持不变,只是能量的形式从化学能变成了热能。
又比如,汽车发动机通过燃烧汽油将化学能转化为机械能,从而驱动汽车前进。
虽然能量的形式发生了变化,但能量的总量并没有增加或减少。
三、热力学第一定律的数学表达式热力学第一定律可以用数学表达式来精确描述。
通常,我们用ΔU = Q + W 来表示。
其中,ΔU 表示系统内能的变化,Q 表示系统吸收或放出的热量,W 表示系统对外界做功或外界对系统做功。
当 Q 为正值时,表示系统吸收热量;当 Q 为负值时,表示系统放出热量。
当 W 为正值时,表示系统对外界做功;当 W 为负值时,表示外界对系统做功。
这个表达式清晰地展示了内能、热量和功之间的关系。
比如说,一个绝热容器中的气体被压缩,外界对气体做功,由于是绝热过程,没有热量交换(Q = 0),根据表达式,气体的内能增加(ΔU > 0)。
再比如,一个热的物体与一个冷的物体接触,热的物体向冷的物体传递热量(Q < 0),如果没有做功过程(W = 0),那么热物体的内能减少,冷物体的内能增加,但两者内能的总和不变。
综合同步热分析(T G A-D S C)实验讲义一、实验目的:用热分析仪对进行TG和DSC分析,并对热分析谱图进行定性和定量分析。
二、预习要求1、了解热分析仪的工作原理和操作方法;2、了解TG和DSC分析的基本原理及热分析谱图的意义。
三、原理1、热分析的定义:热分析(thermal analysis):顾名思义,可以解释为以热进行分析的一种方法。
1977年在日本京都召开的国际热分析协会(ICTA)第七次会议上,给热分析下了如下定义:即热分析是在程序控制温度下,测量物质的物理、化学性质与温度的关系的一类技术。
通俗来说,热分析是通过测定物质加热或冷却过程中物理性质(目前主要是重量和能量)的变化来研究物质性质及其变化,或者对物质进行分析鉴别的一种技术。
程序控制温度:一般是指线性升温或线性降温,当然也包括恒温、循环或非线性升温、降温。
也就是把温度看作是时间的函数:T=φ(t); t:时间。
常见的物理变化:熔化、沸腾、升华、结晶转变等;常见的化学变化:脱水、降解、分解、氧化,还原、化合反应等。
这两类变化,常伴有焓变,质量、机械性能和力学性能等的变化。
2、热分析存在的客观物质基础在目前热分析可以达到的温度范围内,从-150℃到1500℃(或2400℃),任何两种物质的所有物理、化学性质是不会完全相同的。
因此,热分析的各种曲线具有物质“指纹图”的性质。
3、热分析的起源及发展1899 年英国罗伯特-奥斯汀(Roberts-Austen)第一次使用了差示热电偶和参比物,大大提高了测定的灵敏度,正式发明了差热分析(DTA)技术。
1915 年日本东北大学本多光太郎,在分析天平的基础上研制了“热天平”即热重法(TG),后来法国人也研制了热天平技术。
1964 年美国瓦特逊(Watson)和奥尼尔(O’Neill)在DTA技术的基础上发明了差示扫描量热法(DSC)。
美国P-E公司最先生产了差示扫描量热仪,为热分析热量的定量作出了贡献。
第一章 工程热力学§1-1 空气绝热指数的测定实验一、实验目的通过测量绝热膨胀和定容加热过程中空气的压力变化,计算空气绝热指数。
理解绝热膨胀过程和定容加热过程以及平衡态的概念。
二、实验原理气体的绝热指数定义为气体的定压比热容与定容比热容之比,以K 表示,即p vc k c =。
本实验利用定量空气在绝热膨胀过程和定容加热过程中的变化规律来测定空气的绝热指数K 。
实验过程的P-V 图如图1所示。
图中AB 为绝热膨胀过程;BC 为定容加热过程。
图1 等容和绝热过程AB 为绝热过程,1122k kp v p v = (1) BC 为定容过程,23v v = (2)假设状态A 和C 温度相同,则23T T =。
根据理想气体的状态方程,对于状态A 、C 可得:1133p v p v = (3)将(3)式两边K 次方得:()()1133kkp v p v = (4)由(1)、(4)两式得,1132kp p p p ⎛⎫=⎪⎝⎭,再两边取对数,得: 1213ln ln p p k p p ⎛⎫ ⎪⎝⎭=⎛⎫ ⎪⎝⎭(5)因此,只要测出A 、B 、C 三状态下的压力123,,p p p 且将其代入(5)式,即可求得空气的绝热指数k 。
三、实验装置空气绝热指数测定仪由刚性容器,充气阀、排气阀和U 型差压计组成,如图2所示。
空气绝热指数测定仪以绝热膨胀和定容加热两个基本热力过程为工作原理,测出空气绝热指数。
整个仪器简单明了,操作简便,有利于培养学生运用热力学基本和公式从事实验设计和数据处理的工作能力,从而起到巩固和深化课堂教学内容的实际效果。
图2 空气绝热指数测定装置示意图1-有机玻璃容器;2-进气及测压三通;3 U 型压力计;4 -气囊;5-放气阀门。
四、实验步骤实验对装置的气密性要求较高。
因此,在实验开始时,应检查其气密性。
通过充气阀对刚性容器充气,使U 型压差计的水柱h ∆达到2200mmH O 左右,记下h ∆值,5分钟后再观察h ∆值,看是否发生变化。
1 课程学习1.1 热力学基本定律1.1.1 热力学基本概念及定义第一节热力系热力系:由界面包围着的作为研究对象的物体的总和。
按热力系与外界进行物质交换的情况可将热力系分为:闭口系(或闭系)--与外界无物质交换,为控制质量(c.m.);开口系(或开系)--与外界之间有物质交换,把研究对象规划在一定的空间范围内,称控制容积(c.v.)。
按热力系与外界进行能量交换的情况将热力系分为:简单热力系--与外界只交换热量及一种形式的准静功;绝热系--与外界无热交换;孤立系--与外界既无能量交换又无物质交换。
按热力系内部状况将热力系分为:单元系--只包含一种化学成分的物质;多元系--包含两种以上化学成分的物质;均匀系--热力系各部分具有相同的性质;均匀系--热力系各部分具有不同的性质。
工程热力学中讨论的热力系:简单可压缩系--热力系与外界只有准静功的交换,且由压缩流体构成。
第二节热力系的描述热力系的状态、平衡状态及状态参数*热力系的状态:热力系在某一瞬间所呈现的宏观物理状况。
在热力学中我们一般取设备中的流体工质作为研究对象,这时热力系的状态即是指气体所呈现的物理状况。
*平衡状态:在没有外界影响的条件下系统的各部分在长时间内不发生任何变化的状态。
处于平衡状态的热力系各处的温度、压力等参数是均匀一致的。
而温差是驱动热流的不平衡势,温差的消失是系统建立平衡的必要条件。
对于一个状态可以自由变化的热力系而言,如果系统内或系统与外界之间的一切不平衡势都不存在,则热力系的一切可见宏观变化均将停止,此时热力系所处的状态即是平衡状态。
各种不平衡势的消失是系统建立起平衡状态的必要条件。
*状态参数:用来描述热力系平衡态的物理量。
处于平衡态的热力系其状态参数具有确定的值,而非平衡热力系的状态参数是不确定的。
状态参数的特性描述热力系状态的物理量可分为两类:强度量和尺度量(1)强度量与系统中所含物质无关,在热力系中任一点具有确定的数值的物理量。
实验94 步冷曲线法绘制Sn-Bi二元合金相图实验概述二元合金的熔点~组成相图可用不同组成合金的冷却曲线求得。
将一种合金或金属熔融后,使之逐渐冷却,每隔一定时间记录一次温度,这种表示温度~时间的关系曲线称为冷却曲线或步冷曲线。
当熔融体系在均匀冷却过程中不发生相的变化,其温度将随时间连续均匀下降,这时会得到一条平滑的冷却曲线;如在冷却过程中发生了相变,则因放出相变热而使热损失有所抵偿,冷却曲线就会出现转折点或水平线段。
转折点所对应的温度,即为该组成合金的相变温度。
如以横轴表示混合物的组成,纵轴上标出开始出现相变的温度,把这些转折点所对应的温度连接起来,就可以绘制出二元合金相图。
对于简单的低共熔二元体系(如Bi-Cd合金),具有图94.1所示的的冷却曲线和相图。
用热分析法测绘相图时,被测体系必须时时处于或接近相平衡状态,因此体系的冷却速度必须足够慢才能得到较好的结果。
本实验测绘的Sn~Bi二元合金相图不属于简单低共熔体系, 当含Sn 含量在85% 以上即出现固熔体。
因此,为了简单起见,本实验不能作出完整的相图。
图94.1 Bi-Cd 合金冷即曲线及其相图实验目的1.了解热分析法测量技术与热电偶测量温度的方法;2.用热分析法绘制Sn~Bi二元合金相图。
实验器材1.仪器:热电偶,加热炉,记录仪,调压器,电炉,250mL烧杯。
2.试剂:Sn(s),Bi(s),固体石蜡。
实验方法1.配制样品:用感量为0.1 g的台天平分别配制含Bi量分别为30%、58%、80%的混合物各100 g,另外称100 g纯Bi,100 g纯Sn,分别放入5个样品管中。
2.安装与调整自动记录仪:(见图94.2)。
图94.2 冷却曲线测定装置3.测定被研究体系的步冷曲线:依次测纯Bi、含Bi 30%、58%、80%的混合物及纯Sn 的冷却曲线。
方法如下:将样品管放在加热电炉中,让样品熔化(在样品上方覆盖一层石蜡,以防止样品氧化)。
同时将热电偶的热端(连玻璃套管,见图94.2)插入样品管中。