热分析材料整合

为平衡态。
描述热力学平衡态的物理量称为状态参量。
发生状态变化的经过称为热力学过程。
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第三章 材料热分析
现
§2. 热分析物理基础
代 分
2.1 基本概念和基本定律
析
热力学平衡态
测
试 技
关于孤立系统的平衡态，应充分注意以下几点：
第一，处于非平衡状态的孤立系统，要经过一定 时间才能由非平衡态过渡到平衡态，这一过程
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第三章 材料热分析
现
§1. 材料热分析绪论
代
分
温度－差热分析法（DTA）
析
热量－差示扫描量热法（DSC）
测
质量－热重分析法（TGA）
试
力学性质－动态热机械法（TMA）
技
尺寸、体积－热膨胀法(Thermodilatometry)
术
发光强度－热释光法(Thermophotometry)
传导主要是声子相互作用和碰撞的结果。
对于金属固体，热量主要由电子相互作用和碰撞 来实现，声子的贡献较少。
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第三章 材料热分析
现
§2. 热分析物理基础
代 分
2.3 热量传递的一般规律
析
热传导过程
测
用于描述传导的热量与温度梯度、时间与导热方
试
向垂直的面积之间关系的傅里叶定律(Fourier)，
§2. 热分析物理基础
代 分
2.1 基本概念和基本定律
析
热
测 试
热是物质运动的一种形式。热的本质是构成物质 的大量分子、原子等微观粒子永不停息的无规则
技
的运动。
术
从热力学概念出发，热是当系统与环境的温度存
在差异时，在系统与环境之间所传递或交换的能
量。热的另一个涵义是热量，它是能量传递的一
种形式，它与过程的性质无关。
技
的变化值为，∆G＝∆H-T∆S
术
式中， ∆G－吉布斯函数的变化； ∆H－焓
变；T－热力学温度； ∆S－嫡变。
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第三章 材料热分析
现
§2. 热分析物理基础
代 分
2.1 基本概念和基本定律
析
热力学第二定律
测
试
∆G < 0时，为自发进行过程；
技
∆G = 0时，为平衡过程；
术
第四，当系统处于非平衡状态时，系统内的微观
粒子的运动是无序和无规则的；
第五，孤立系统处于平衡状态，则作为其一部分 的封闭系统或开放系统也处于平衡态。
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第三章 材料热分析
现
§2. 热分析物理基础
代 分
2.1 基本概念和基本定律
析
聚集态和相态
测
试
通常条件下，物质的聚集状态按物质的宏观性质
物质内部微观粒子相互碰撞和传递的结果。
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第三章 材料热分析
现
§2. 热分析物理基础
代 分
2.3 热量传递的一般规律
析
热传导过程
测
对于气体和液体，热量的传导通常是分子和原子
试
相互作用或碰撞的结果。
技 术
对于无机介电固体材料，热量的传导是通过晶体 点阵或晶格振动来实现的。晶格振动能量是量子 化的，可以称为声子。因此，无机介电物质的热
绝对零度，都在不停地以电磁波的形式向外界辐
射能量。其波长范围很宽，从X射线、紫外线、可
见光、红外线直到无线电波。
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第三章 材料热分析
现
§2. 热分析物理基础
代 分
2.3 热量传递的一般规律
析
热辐射过程
测
试
从研究热过程和热现象的角度看，感兴趣的是
技
那些能被物体所吸收，并且在吸收时它们的能 量又重新转换为热的那些射线，这就是波长在
代 分
2.1 基本概念和基本定律
析
热力学第一定律
测 试
热力学第一定律是关于能量守恒与转化定律在一 切涉及热现象的宏观过程中的具体表述。其表
技
达式是：Q＝∆U＋AW
术 式中， Q－外界向系统传递的热量； ∆U－系统
的内能；AW－系统对外界所作的功。
上式的意义为系统在任一过程中吸收的热量等于 系统内能的增量和系统对外界所作的功之和。
析
分析应用得最为广泛。
测
物理性质 热分析技术名称 缩写
试 技 术
质量 温度
热重分析法 差热分析
TG DTA
热量
示差扫描量热法 DSC
尺寸 热膨胀（收缩）法 TD
力学特性 动态力学分析 DMTA
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第三章 材料热分析
现
§1. 材料热分析绪论
代 分
热分析的主要优点
析
1. 可在宽广的温度范围内对样品进行研究；
2.2 物质受热过程中发生的变化
析
测
单就固体物质而言受热后温度变化而言，其热
试
物理性质的变化有：
技
① 运输性质：导热系数，热膨胀系数，热辐射性
术
质，电极化，电子跃迁，晶格畸变等
② 热力学性质：比热容等，在德拜温度以下，其
比热容随温度降低而减小
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第三章 材料热分析
现
第三章 材料热分析
现
§2. 热分析物理基础
代 分
2.3 热量传递的一般规律
析
热传导过程
测
物质的热传导是指热量在静止物体中高温部分向
试
低温部分或向与之接触的温度较低的另一静止物
技
体传递的过程。
术
不同的物质以及物质所处的状态(固态、液态和气 态)不同，其导热机理也不相同，相应的导热能力
也不一样。
所有物质的热传导，无论其状态怎样，都是由于
现
代
分 析
第三章 材料热分析
测
试
技
术
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现
第三章 材料热分析
代
分 析
§1. 材料热分析绪论
测
§2. 热分析物理基础
试
技
§3. 差热分析法（DTA）
术
§4. 差示扫描量热法（DSC）
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第三章 材料热分析
现
§1. 材料热分析绪论
代
分
国际热分析协会（International Confederation for Thermal Analysis，ICTA）
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第三章 材料热分析
现
§2. 热分析物理基础
代
分
析
测
试
技
术
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第三章 材料热分析
现
§2. 热分析物理基础
代 分
2.1 基本概念和基本定律
析
热力学第二定律
测
试
热力学第二定律可表述为在有限空间和时间
技
内一切物理、化学过程的发展具有不可逆性。
技
流体内的分子、原子等的相对位移引起的。
术
造成流体对流的原因是由于静止流体内各点的温
度差或因外界的能量的引入所造成。
对流的流体与其紧邻的固体表面的热量交换称为 对流传热。
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第三章 材料热分析
现
§2. 热分析物理基础
代 分
2.3 热量传递的一般规律
析
热对流过程
测
牛顿冷却定律(Newton)可用于描述对流传热的热
温。这里的“物质”指试样本身和(或)试样的反
应产物，包括中间产物 。
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第三章 材料热分析
现
§1. 材料热分析绪论
代
分 析 测
在热分析法中，物质在一定温度范 围内发生变化，包括：
试 A. 与周围环境作用而经历的物理变化和化
技 术
学变化，诸如释放出结晶水和挥发性物 质的碎片、热量的吸收或释放，某些变 化还涉及到物质的质量增加或质量损失
技
划分可分为固态、液态和气态。物质的聚集态与 温度和压力有关。
术
相态是热力学概念，可分为固相(晶相、非晶相)、
液相和气相。物质在一定条件下从一种相转变为
另一种相称为相变。相变时热力学函数有突变。
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第三章 材料热分析
现
§2. 热分析物理基础
代 分
2.1 基本概念和基本定律
试
技
当物质发生化学反应或相变时往往拌随着质量的
术
变化(质量增加或质量损失)，热量的变化(吸热或
放热)。如脱水、汽化、熔融、升华等往往伴有吸
热效应，而氧化裂解，化学分解往往伴有放热效
应。某些物质的氧化过程会导致质量增加。
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第三章 材料热分析
现
§2. 热分析物理基础
代 分
B. 物质本身发生热化学变化和热物理性质 及电学性质变化等
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第三章 材料热分析
现
§1. 材料热分析绪论
代
分
析 热分析法的核心就是研究物质在受热
测 或冷却时产生的物理和化学的变迁速 试 率和温度以及所涉及的能量和质量变 技 化。
术 归结起来可以这样说，热分析技术是
建立在物质热行为上的一类分析方法。
析
聚集态和相态
测
试
晶相中其分子或原子呈规则、对称和周期性结
技
构状态。
术
非晶相和液相中分子或原子呈近程有序远程无 序状态，因此具有类似液相结构的非晶相固体
状态又称玻璃态或无定形态，是非晶态固体。
气相中气体分子呈完全无序状态。
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第三章 材料热分析
现
§2. 热分析物理基础
§2. 热分析物理基础
代 分
2.3 热量传递的一般规律
析
测
在热分析过程中，试样在程序温度控制下
试
不断地升温，样品、坩埚、支架及其周围
技
的环境包括气氛之间进行着热量的交换。
术
因此研究和掌握热量传递的规律，对热分
析仪器的结构设计和热分析测定结果的准
确性都有极为重要的意义。
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术
0.4－40μm的可见光和红外线，其中尤为显著
电极化－热释电法
晶格结构－高温X射线衍射法
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第三章 材料热分析
§1. 材料热分析绪论
现
热分析方法的种类是多种多样的，根据国际热
代 分
分析协会(ICTA)的归纳和分类，目前的热分析 方法共分为九类十七种，在这些热分析技术中， 热重法、差热分析、差示扫描量热法和热机械
试
流量q与壁面温度Tw和流体温度T的温度差的关系，
技
即：
术
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第三章 材料热分析
现
§2. 热分析物理基础
代 分
2.3 热量传递的一般规律
析
热辐射过程
测
传热的过程除热传导和热对流外，总伴有热的辐
试
射发生。
技
当物质原子中的电子受激振动时，就会向外发射
术
辐射能。事实上，一切物质内部的电子无不处于 运动状态，也就是说任何物体只要其温度不等于
技
可用下面的数学式表达：
术
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第三章 材料热分析
现
§2. 热分析物理基础
代 分 析
2.3 热量传递的一般规律 热传导过程
测
试
技
术
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第三章 材料热分析
现
§2. 热分析物理基础
代 分
2.3 热量传递的一般规律
析
热对流过程
测 试
热对流是发生在流体内的一种热量传递过程。其 特点是热量由高温部分传递至低温部分。它是由
术
一切不可逆的正过程可以自发地进行(如热 量自高温物体向低温物体传递，功转变为热
等)，而其逆过程则不能自发地进行。
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第三章 材料热分析
现
§2. 热分析物理基础
代 分
2.1 基本概念和基本定律
析
热力学第二定律
测 试
对于封闭体系，系统只作体积功，在等温和 等压下，由始态变化到终态时，吉布斯函数
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第三章 材料热分析
现
§2. 热分析物理基础
代 分
2.1 基本概念和基本定律
析
热力学平衡态
测 试 技
物质的状态是物质的物理性质和化学性质的总和。
在外界对物质既不作功也不传热的条件下，无论 其初始状态如何，经过一定时间后必将达到其宏
术
观物理性质不随时间变化的状态，这种状态即称
术
∆G > 0时，说明该过程不能自发进行。
平衡态是对应于吉布斯函数G为最低的状
态，任何体系总是自发趋于吉布斯函数
最小。
8/21/2020 10:38 AM
第三章 材料热分析
现
§2. 热分析物理基础
代 分
2.2 物质受热过程中发生的变化
析 测
物质以一定方式受热后，会使物质的温度升高或 发生结构的变化（相变）和化学反应。
术
称为弛豫过程。其所需时间称为弛豫时间，其
长短由系统性质及弛豫机制决定；
第二，孤立系统一旦达到平衡态，则系统的状态
再也不随时间变化而变化；
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第三章 材料热分析
现
§2. 热分析物理基础
代 分
2.1 基本概念和基本定律
析
热力学平衡态
测
试 技
第三，当系统处于热力学平衡态时，虽然其宏观 参量不再随时间而变化，但组成系统的微观粒 子仍在进行复杂运动；
析
1977年在日本京都召开的国际热分析协会(ICTA,
测
International Conference on Thermal
试
Analysis)第七次会议所下的定义：热分析是在 程序控制温度下，测量物质的某一物理性质与温
技
度变化函数关系的一类技术。
术
这里所说的“程序控制温度”一般指线性升温或
线性降温，也包括恒温、循环或非线性升温、降
测
2. 可使用各种温度程序（不同的升降温速率）；
试
3. 对样品的物理状态无特殊要求；
技 术
4. 所需样品量可以很少（0.1g - 10mg）； 5. 仪器灵敏度高（质量变化的精确度达10-5）； 6. 可与其他技术联用；
7. 可获取多种信息。
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第三章 材料热分析
现