نحوه تفسیر ترموگرام های آنالیز حرارتی افتراقی (DTA)

ترموگرام‌های DTA

در ترموگرام‌های DTA گرماده بودن به صورت پیک‌ها به سمت بالا و گرماگیر بودن واکنش با پیک‌های به سمت پایین نشان داده می‌شود. برای یک واکنش گرماده، دمای نمونه بیشتر از دمای مرجع است و برای واکنش‌های گرماگیر، نمونه دمایی کمتر از مرجع دارد. در حالتی که هیچ واکنشی در نمونه رخ ندهد، دمای نمونه مشابه با دمای مرجع است که علتِ آن، گرم شدن هر دو ماده تحت شرایط کاملا یکسان است. بنابراین به محض وقوع یک واکنش، بسته به این که گرماگیر یا گرماده باشد، نمونه نسبت به مرجع، سرد یا گرم می‌شود و به علت همین تفاوت دمایی یک پیک در ترموگرام DTA ظاهر می‌شود.

در شکل ۱ یک ترموگرام فرضی برای ماده ای را نشان داده است که این ماده با گرم کردن متحمل تحولات گرمایی شده است. برای بررسی بیشتر این ترموگرام را جزء جزء بررسی می‌کنیم. در شکل ۱، برای بخش AB روی منحنی، تفاوت دما بین نمونه و مرجع برابر با صفر (یا به عبارتی ناچیز) است؛ این به این معنی است که در این محدوده واکنشی رخ نداده است. از نقطه B، منحنی شروع به انحراف از خط پایه متناسب با حمله دمایی (که با شروع واکنش گرماده رخ می‌دهد) کرده است و پیک BCD با حداکثر ارتفاع C تشکیل شده است.

پیک دمایی C، با سرعت حداکثرِ گرمای تحولِ به وقوع پیوسته مطابقت دارد. البته لازم به ذکر است که پیک C ، بیشینه سرعت واکنش و یا کامل شدن فرایند گرماده را نشان نمی‌دهد. بنابراین محل قرارگیری C اهمیت زیادی در تفسیر ترموگرام DTA ندارد. در یک دمای مشخص، فرایند ارزیابی کامل شده و بعد از آن دما شروع به کاهش کرده است و منحنی به نقطه D رسیده است. گفتنی است که پیک‌های دمایی روی منحنی معمولا مشخصه مواد موجود در نمونه است.

شکل ۱: یک نمونه ترموگرام DTA برای ماده ای که متحمل واکنش‌های گرماگیر و گرماده شده است.

در ترموگرام شکل ۱، مساحت زیر منحنی در بخش BCD متناسب با میزان مواد واکنش دهنده است. در ادامه، برای واکنش گرماگیر، روی ترموگرام پیک EFG تشکیل شده است که نشان‌دهنده ی تفاوت دمایی منفی بین نمونه و مرجع است؛ زیرا در این حالت گرما جذب شده و دمای نمونه کمتر از دمای مرجع است. ظرفیت گرمایی نمونه در اثر فرایند گرمادهی تغییر کرده است؛ بنابراین خط پایه AB در ابتدای نمودار و DE در انحنای گرماده، در سطوح متفاوتی بالای محور افقی دما (معرف محور X مختصات) قرار دارد. این اتفاق به طور مشابه در خطوط پایه GH و DEدر انحنای گرماگیر دیده می‌شود.

استخراج اطلاعات کمی از ترموگرام‌های DTA

ترموگرام‌های DTA، فقط به شناسایی مواد کمک نمی‌کند، بلکه مساحت زیر منحنی اطلاعات کمی در مورد جرم نمونه (m)، گرمای واکنش‌ها یا آنتالپی (ΔH) و سایر عوامل مانند هندسه نمونه و هدایت گرمایی نمونه را در اختیار می‌گذارد. مساحت زیر پیک نمودار به یک عامل دیگر هم وابسته است، که آن را فاکتور کالیبراسیون گویند و با k نشان می‌دهند. بنابراین مساحت زیر پیک (A) از رابطه زیر محاسبه می‌شود:

در معادله بالا، برای واکنش‌های گرماگیر (دمای نمونه کمتر از دمای مرجع)، علامت ΔH مثبت و برای واکنش‌های گرماده (دمای نمونه بیشتر از دمای مرجع)، علامت ΔH منفی است. فاکتور کالیبراسیون k، یک ثابت وابسته به دما است و می‌توان آن را با کالیبراسیون DTA با سایر استانداردهامشخص نمود. بنابراین با معلوم کردن میزان k در دمای مشخص، از مساحت زیر منحنی می‌توان برای آنالیز کمی جهت تعیین جرم نمونه یا انرژی (تغییرات آنتالپی) یک واکنش استفاده کرد.

آنالیز DTA می‌تواند کمک به تخمین ظرفیت گرمایی یک نمونه کند. همانطور که در منحنی دیده می‌شود، همیشه یک تفاوت در ارتفاع خطوط پایه از محور افقی وجود دارد. تغییرات ظرفیت گرمایی (ΔCp) در یک دمای به خصوص می‎تواند با اندازه‌گیری تفاوت در خطوط پایه (d) مشخص گردد. این تغییرات ظرفیت گرمایی (ΔCp) را می‌توان از طریق معادله زیر محاسبه کرد:

برای حصول نتایج بهتر، لازم است مواد خام اولیه خلوص بالایی داشته باشند، پودر با ذرات ریزی از آن‌ها تهیه شود و زمان اعمال شده به اندازه‌ای باشد که اجازه‌ی کامل شدن واکنش‌ها را فراهم کند.