第三章 热分析习题-20091102答案

比热:是单位质量的物体改变单位温度时吸收或释放的能量.

热重分析：用来测量在一定气氛条件和程序控温下样品重量随温度变化的方法。

玻璃化转变温度：二级相变。宏观上是指聚合物由玻璃态转变为高弹态的特征温度，在微观上是高分子链段开始运动的温度。

显热：在恒压和恒容不作非体积功的条件下，仅因系统温度改变而与环境交换的热称为显热。 潜热：在一定温度、压力下系统发生相变时与环境交换的热。

TG 热重分析:用来测量在一定气氛条件下程序控温下样品质量随温度变化的一组方法。把试样的质量作为时间或温度的函数记录分析，得到的曲线称为热重曲线。

DSC 差示扫描量热仪:示差扫描量热法是把试样和参比物置于相等的温度条件,在程序控温下,测定试样与参比物的温度差保持为零时,所需要的能量对温度或时间作图的方法.记录称为示差扫描量热曲线.

DTA 差热分析:差热分析是把试样和参比物,(热中性体)置于相等的温度条件,测定两者的温度差对温度或时间作图的方法.曲线向下是吸热反应,向上是放热反应.

DMA 动态热机械分析:其基本原理是在程序控温下,测量物质在震动负荷下,动态模量和力学损耗和温度关系的一种方法.

影响差热曲线的因素:外因由仪器结构、操作及实验条件等引起，内因指试样本身的热特性。外因：加热速度；试样的形状、称量及填装，压力和气氛的影响；试样力度的影响。

差热分析定量的原理：根据斯伯勒公式，测出装置常数k 和反应峰面积即可求出ΔH ，而ΔH 是与试样特性有关的转变热、熔化热和反应热，从而就可确定反应物质的名称及含量。 热重分析仪：热重分析，静法（把试样在各给定的温度下加热至恒量，然后按质量温度变化作图）和动法（在加热过程中连续升温和称重，按质量温度变化作图）。静法优点是精度较高，能记录微小的失重变化；缺点是操作繁复，时间较长。动法的优点是能自动记录，可与差热分析法紧密结合，有利于对比分析；缺点是对微小的质量变化灵敏度较低。

3-2 影响热重曲线的主要因素？试推导热重仪器中试样表观增重与气体密度的关系。根据所推导的表观增重公式说明影响表观增重的因素。

答：影响热重曲线的主要因素包括：1 仪器因素（1）浮力和对流(2)挥发物的再凝集(3)坩埚与试样的反应及坩埚的几何特性2实验条件(1)升温速率(2)气氛的种类和流量3.试样影响

（1）试样自身的结构缺陷情况、表面性质(2)试样用量(3)试样粒度

表观增重（ΔW ）：ΔW =W T -W 0,W T ——对应于T 温度下的质量； W 0 ——对应于T 0温度下的质量ΔW=Vg （ρρ-0）= V 0ρg （1- T 0/T ）;V ——受浮力作用的（在加热区）试样盘和支撑杆的体积；0ρ——试样周围气体在T 0时的密度；T ——测试时某时刻的温度（K ）。 影响表观增重的因素: V 、0ρ、T 。

3-3 Cahn 秤的主要技术指标。

答：Cahn 秤主要技术指标：灵敏度（0.1μg ）；最大称重（5g ）；漂移（小于0.1μg/h ） 3-4差热曲线基线方程的表达式中，各参数的物理含义？影响差热曲线基线的主要因素？ 答：(△T)a 就是差热曲线基线方程：(△T)a=K

C C S R -V 式中，K ——与仪器灵敏度有关的仪器常数t ——时间,V ——升温速度,Cs ——试样比热,Cr ——参比样比热.

可见影响（△T ）a 的因素有Cs 、Cr 、V 和K 。可见①程序升温速度V 值恒定，才可能获得稳定的基线；②Cs 和Cr 越接近，（△T ）a 越小，选用参比物时，应使其热容尽可能与试样相近；③在程序升温过程中，如果试样的比热有变化，（△T ）a 也在发生变化；④程序升温速率V 值越小，（△T ）a 也越小。

3-5放热或吸热的量与差热峰面积的关系？

答：放热或吸热的量与差热峰面积成正比关系

3-7从试样的差热曲线上可获得哪些信息？

答：差热曲线上可获得两个基本信息：1 试样吸放热所发生的温度；2 试样吸收或放出的热量的大小。据此，可以获得试样的晶型转变温度、熔融温度、氧化分解温度、玻璃化转变温度及相应热效应的大小。

3-8如何利用试样的DSC 曲线判断矿石中含β-SiO 2？

在获得的试样DSC 曲线上，如果存在573℃的晶型转变放热峰，基本可说明含有β-SiO 2。

在此基础上，对试样进行XRD 分析，如果XRD 数据也有β-SiO 2的衍射峰，就可以更好地说明试样中是否含有β-SiO 2。

3-6题图3-6为高聚物材料的典型DSC 曲线。标示出高聚物材料DSC 曲线上主要的变化过程及相应的特征温度。

答：

题图3-6 高聚物材料的典型DSC 曲线

3-9有一石灰石矿，其粉料的TG-DSC 联合分析图上可见一吸热谷，其T onset 为880℃，所对应的面积为360×4.184J/g ，对应的TG 曲线上失重为39.6%，计算：①该矿物的碳酸钙含量？（碳酸钙分子量为100.9）②碳酸钙的分解温度？③单位质量碳酸钙分解时需吸收的热量？ 答：①该矿物的碳酸钙含量

设：石灰石粉料的质量为m 克，碳酸钙的百分比含量为x ，CO2气体的质量为y 克，则CaCO 3的质量为mx 。 CaCO 3−→−

CaO+CO 2↑ 100.9 44

mx y

y

m x 44100= 而%6.39=m y %90=∴x ②碳酸钙的分解温度的起始温度T onset 为880℃。

③单位质量碳酸钙分解时需吸收的热量为

g KJ g J /6736.1/9

.0184.4360=⨯ 3-10题图3-10为一金属玻璃的DSC 曲线。根据DSC 曲线，指出该金属玻璃在加热过程中经历的玻璃化转变及析晶过程所对应的特征温度或温度范围。

题图3-10 某金属玻璃的DSC 曲线

答：玻璃化转变温度384.3℃；449.9℃、482.0℃、547.3℃均为放热峰，可能为析晶所对应的放热过程。

3-11快速凝固的化学组分为Al 87Ni 7Cu 3Nd 3金属材料的XRD 、DSC 分析结果分别见题图3-11。请根据分析结果初步判断是否是金属玻璃，并写出判断依据。该金属玻璃的Tg 为多少度？该金属玻璃经不同的温度（见图中所标）热处理1小时后，随热处理温度的升高晶相种类和组成如何变化？

答：是金属玻璃。依据有两点：1）DSC 图中可见有明显的玻璃化转变温度（Tg ），温度高于Tg 后，可见有明显的吸晶放热峰。2）XRD 衍射图中热处理温度小于等于110℃时呈弥散的衍射峰，这是玻璃态物质的特征。Tg=384.3℃。由XRD 图可见，热处理1小时后，晶相的种类及组成变化：110℃时为玻璃态；410℃析出金属Al 晶相；500℃下，出现Al 、Al 3Ni 、Al 11Nd 3和Al 8Cu 3Nd 四种晶相。

假设：①试样和参比样的温度分布均匀，试样和试样容器的温度相同；②试样、参比样热容分别为CS 和CR ，并不随温度变化；③试样、参比样与金属块之间所传递的热量和温差成正比，比例常数K 与温度无关。