实验九 综合热分析
一、目的要求
1、学习综合热分析的仪器装置及实验技术。
2、掌握综合热分析的特点及分析方法。
二、基本原理与方法
综合热分析是指几种单一的热分析法相互结合成多元的热分析法。也就是将各种单功能的热分析仪相互组合在一起变成多功能的综合热分析仪。如差热（DTA）－热重（TG）、差示扫描（DSC）－热重（TG）、差热（DTA）－热重（TG）－微商热重（DTG）、差热（DTA）－热机械分析（TMA）等等。这种多功能综合热分析的特点是在完全相同的实验条件下，也就是在一次实验中可同时获得样品的各种热变化信息。
因此，综合热分析具有极大的优越性而被广泛采用。在无机非金属材料中，综合热分析技术使用得最多的是DTA－TG。
由综合热分析的基本原理可知，综合热分析曲线就是各单功能热分析曲线测绘在同一张记录纸上。因此，综合热分析曲线上的每一单一曲线的分析与解释与单功能仪器所作曲线完全一样，各种单功能标准曲线都可作为综合热分析曲线的标准，分析解释时可作参考。另外，在解释综合热分析曲线时，下面一些基本规律值得注意：
（1）有吸热效应，伴有失重时，为脱水或分解过程，有放热效应伴有增重时，为氧化过程。
（2）有吸热效应，无质量变化时为多晶转变过程，有吸热并伴有胀缩时也可能是多晶转变过程。
（3）有放热效应，伴有收缩现象，表示有新物质形成。
例如图9－1示出了某种粘土的综合热分析曲线，它包括加热曲线、差热曲线、失重曲线和收缩曲线。根据DTA曲线可知，该粘土的主要峰形与高岭土相符，其矿物组成应以高岭土（Al2O3、2SiO2·2H2O）为主。DTA曲线上两个显著的吸热峰，第一个吸热峰从200℃以下开始发生至260℃达峰值，TG曲线上对应着这一过程的质量损失达3.7%，而收缩曲线表明这一过程体积变化不大，所以这一吸热峰对应的是高岭土失去层间吸附水的过程。第二吸热峰从540℃开始至640℃达峰值，这一过程对应质量损失10.31%，而体积收缩1.4%。DTA曲线上强烈的吸热效应相当于高岭土晶格中氢氧根脱出或结晶水排除，致使晶格破坏，偏高岭土（Al2O3·SiO2）中的Al2O3和SiO2转变成无定形。当温度升高至1000℃左右，无定形Al2O3结晶成γ- Al2O3和部分微晶莫来石，使DTA曲线上出现强烈的放热效应，此时质量无显著变化，体积却显著收缩，收缩率从3.19%变成8.67%。加热到1240℃，DTA曲线上又出现一放热峰，同时体积从9.86%迅速收缩到14.4%，这显然又是一个结晶相的出现，据研究系非晶质SiO2与γ- Al2O3化合成莫来石3 Al2O3·2SiO2结晶所致。
第十章 热分析
10．1 概述
热分析（Thermal Analysis TA）是指在程序控温和一定气氛下，测量试样的物理性质随温度或时间变化的一种技术。其定义包含三个方面的内容：1）试样要承受程序温控的作用，即以一定的速率等速升（降）温，该试样物质包括原始试样和在测量过程中因化学变化产生的中间产物和最终产物；2）选择一种观测的物理量，它可以是热学的，也可以是其它方面的，如光学、力学、电学及磁学等；3）观测的物理量随温度而变化。热分析主要用于测量和分析试样物质在温度变化过程中的一些物理变化（如晶型转变、相态转变及吸附等）、化学变化（分解、氧化、还原、脱水反应等）及其力学特性的变化，通过这些变化的研究，可以认识试样物质的内部结构，获得相关的热力学和动力学数据，为材料的进一步研究提供理论依据。
热分析技术作为一种科学的实验方法，人们普遍认为它是创建于19世纪末20世纪初。1887年，德国人H Lechatelier 用一热电偶插入受热的粘土中，观察粘土在升温过程中温度的变化规律；1891年，英国人Relerts 和Austen 改进了Lechatelier 的装置，采用两个热电偶反向连接形成差热电偶，记录了样品和参比物之间的温差随时间或温度变化的规律，这就是差热分析仪的原始模型。1915年，日本人本多光太郎提出了“热天平”的概念，并设计了世界上第一台热天平，因而产生了热重分析法。直到二十世纪四十年代末，才相继出现了商品化的差热分析仪和热天平。1964年，Waston等人提出了“差示扫描量热”的概念，并被Perkin-Elmer 公司采用，造出了DSC-1型差示扫描量热分析仪，进而发展成为差示扫描量热技术。近年来，随着微电技术的迅速发展和分析软件的不断出新与完善，热分析过程已实现了温控程序化和记录自动化，分析精度也愈来愈高，从而进一步扩大了热分析技术的应用领域，促进了热分析技术的快速发展。
目前热分析已发展成为系统性的分析方法，已广泛应用于材料、化学、化工、物理、石油、冶金、生物化学、地球化学、陶瓷、玻璃、医药、食品、塑料、土壤、炸药、地质、海洋、电子、能源、生物技术、空间技术等领域中。其发展趋势可归纳为：功能综合化、样品用量微量化、操作自动化及研究领域的不断扩展和分析技术的不断创新。
《热传导》教学案例
一、教材分析
本课是苏教版五年级上册第2单元“热传递”中的第一课。
本课有四部分内容，第一部分是感受让身体热起来的方法。第二部分是思考热是怎么传到衣服或者板栗上的，此问题引导学生思考具体的热传导的过程。第三部分是通过具体的实验探究热在金属中的传递方向，进一步解决在上一部分存在的质疑，并且用科学问题带领学生做了适当的检测性思考。第四部分是生活中热传导的事例，将知识与生活联系起来，起到进一步的知识应用效果。
二、学情分析
学生对热的产生现象很熟悉，如手握暖手宝、烤火堆、晒太阳等。在认知上能快速聚焦到热的话题上面来。同时自己也能举出很多关于热的例子。但是热传递的方法分类是模糊的，是一种全新的认知视角。老师可以抓住这一点，带领学生梳理本单元的内容。
三、学习目标
❖ 科学知识
认识热传导。
❖ 科学探究
能通过探究实验找出通过实验的设计、操作和研讨等活动，初步培养学生根据科学程序进行探究的能力。
❖ 科学态度
通过科学探究活动，激发学生探索“热传导”现象的兴趣，培养学生仔细观察、积极探究、求实、创新的科学品质。
❖ 科学、技术、社会与环境
培养学生利用热传导的知识解决实际问题的能力。
四、重点与难点
重点：认识热传导现象；
难点：通过模拟实验，知道热在金属中的传递方式。
五、教学准备 1. 学生：
课前准备：思考冬天里让身体暖和起来的方法。
分组实验材料：凡士林、金属片、铁架台、酒精灯、火柴。
六、教学过程
(一) 问题导入
同学们，你们还能想起寒冷的冬天里怎么让身体热起来吗？
我们可以通过搓手、喝热水、暖手宝、泡温泉等多种方式让我们的身体暖和起来。
（二）探究新知
（1）同学们有没有吃过板栗？在销售板栗的店里你观察过板栗的加工过程吗？
家里妈妈熨烫衣服的时候，你观察过吗？
热是怎么传到衣服、板栗上的呢？
（适时提醒：熨斗的底部发热的是加热板，炒板栗的铁锅下炉火是热源。）
你能说出热量传递的路径吗？
热分析
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
典型而规整
