امروز در گروه آنالیز آزمایشگاهی مهراندیش درباره مبانی آنالیزهای حرارتی با روش گرماسنجی با شما عزیزان گفتگو می کنیم چنانچه تمایل دارید تا در این زمینه اطلاعات بیشتری کسب کنید لطفا با ما همراه باشید.
تغییرات شیمیایی در اثر افزایش دما
با افزایش دما انرژی اتم های موجود در فضا زیاد می شود اگر افزایش انرژی اتم ها بیشتر از حد مجاز شود برخی از اتم ها از ساختار خود جدا شده و ماده دیگری تشکیل میدهند. بهترین نوع تجزیه، تجربه حرارتی است، به عنوان مثال اگر به کلسیم کربنات حرارت دهید به گاز کربن دی اکسید و اکسید کلسیم تبدیل خواهد شد. علاوه بر این در مواردی هم با افزایش حرارت ماده می سوزد یا اکسید می شود در این حالت هم تغییر شیمیایی صورت میگیرد.
حالات فیزیکی در اثر افزایش دما
حالت های دیگری که در اثر افزایش دما به وقوع می پیوندد تغییرات فیزیکی می باشد. تغییر فاز ماده شامل تبدیل جامد به مایع جامد به گاز مایع به گاز و غیره است. این تغییر برای موادی اتفاق می افتد که ساختار بلوری منظم دارند در مواد غیر بلوری یا مواد آمورف تغییر فاز به صورت تبدیل شیشه ای صورت می گیرد. به این صورت که مواد غیر بلوری مانند پلیمر با جمع شدن ابتدا از حالت جامد به حالت تافی در میاد بعد از حالت تافی حالت مایع به خود میگیرند.
برخی از موارد هم مواد تحت شرایط مختلف قابلیت چند شکل بلوری را دارا می باشند به طور کلی در دماهای مختلف دارای شبکه بلوری متفاوت می باشند. برای مثال آهن خالص در حالت عادی در ساختار بلوری مکعبی مرکزدار متولد شده است با افزایش دما تا ۹۱۲ درجه سانتی گراد ساختار بلوری آن تغییر یافته و در ساختار بلوری مکعبی مرکز دار متولد شده است.
گرماسنج ها یا دستگاه های آنالیز حرارتی
گرما سنج ها یا دستگاه های آنالیز حرارتی مختلفی برای اندازه گیری خواص ترمودینامیکی مواد موجود می باشد از جمله این گرماسنج ها می توان به موارد زیر اشاره نمود:
- گرماسنج قطره ای Drop Calorimeter
- گرماسنج بی دررو یا آدیاباتیک Adiabatic Calorimeter
- گرماسنج شناور Levitation Calorimeter
- گرماسنج تلفیقی Modulation calorimeter
اکثر گرماسنج های تجاری برای مطالعه خواص گرمایی مواد از گرما سنج های تلفیقی استفاده می کنند. استفاده رایج از این دستگاه به دلیل اندازه گیری بسیار دقیق آنها می باشد. برای بررسی دقیق تفاوت ها و ساز و کارهای گرماسنج ها باید ابتدا در مورد ترمودینامیک اطلاعات کافی را داشته باشید. در ادامه مقاله در مورد ترمودینامیک صحبت خواهیم نمود.
قانون اول ترمودینامیک
برای توصیف تحولات حرارتی ماده در فشار ثابت از یک عامل ترمودینامیکی به نام آنتالپی استفاده می شود. با بررسی قانون اول ترمودینامیک می توانیم بفهمیم که آنتالپی و تغییر آنتالپی چه هستند. در یک دستگاه تغییر انرژی درونی مجموع میزان گرما های دریافت شده و کار انجام شده توسط دستگاه برابر می باشد.
گرما به عنوان انتقال انرژی به دستگاه و محیط اطراف آن بر اثر اختلاف دما بین آنها تعریف میگردد و منظور از این هم افزایش انتقال انرژی به جز گرما به دستگاه و محیط اطراف می باشد. به طور کلی حالت تغییرات انرژی سیستم بسته به مقدار کار و گرمایی است که بین سیستم و محیط تبادل می باشد.
همانطور که نمایان است چنانچه کار بر روی سیستم انجام نشود، انرژی درونی برابر با میزان تبادل گرمایی سیستم محیط میشود. در سیستم های متراکم که قابلیت فشرده شدن دارند تغییر حجم ناچیز می باشد. بنابراین برای ساده سازی معادلات داخلی مواد جامد و مایع وابسته به تغییر دما میدانند و به همین علت انرژی درونی را انرژی گرمایی هم نامیده اند .
عوامل موثر در آنالیز حرارتی مختلف
عوامل مختلفی در آنالیزهای حرارتی با روش گرماسنجی موثر میباشند، عواملی مانند ابعاد،جرم نمونه ها، نرخ گرمادهی یا سرمایش، فضای محیط نمونه و حتی سابقه حرارتی و مکانیکی نمونه در نتایج آنالیز حرارتی اثر گذار می باشند. در صورت یکسان نبودن شرایط دستگاهی و محیطی نتایج قابل تکرار نیستند.
زیرا سازوکار انجام آنالیز حرارتی نسبت به شرایط انتقال گرما به اندازه گیری های دما حساسیت زیادی دارد و نمیتوان انتظار داشت که در تکرار پذیری به نتایج مشابه رسید. نرخ گرمادهی عامل مهمی است که بر نتایج آنالیز حرارتی اثر گذار می باشد. لذا برای ایجاد یک تعادل حرارتی از گرمادهی آهسته استفاده نمایید. نرخ گرمادهی سریع باعث تاخیر حرارتی بین منبع گرمادهی و می شود و حتی ممکن است باعث ایجاد یک شیب حرارتی در اطراف نمونه شود که ضریب خطا را افزایش میدهد.
جریان و ماهیت شیمیایی در اطراف نمونه بر داده های ثبت شده در آنالیز حرارتی اثر گذار می باشد.زیرا جو باعث انتقال گرما به نمونه و فراهم نمودن یا زدودن واکنشگر یا محصولات گازی اطراف آن میشود. به طور کلی در بیشتر روش های آنالیز حرارتی به جو خنثی نیاز است تا نمونه را از واکنش های اکسیداسیون محافظت نماید.
آماده سازی نمونه برای آنالیز حرارتی
نمونه هایی که برای آنالیزهای حرارتی با روش گرماسنجی مورد استفاده قرار میگیرند باید ابعاد کوچکی داشته باشند یعنی حجم آنها باید محدود باشد زیرا بیشتر روش های آنالیز حرارتی نمونههایی پودری با جرم کمتر از ۱۰ میلی گرم را مورد بررسی قرار می دهند. دلیل این امر این است که انتقال حرارتی بین نمونه و جو محیط اطراف در نمونه های کوچک سریع تر از نمونه های بزرگ صورت می پذیرد. بنابراین تعادل حرارت بین نمونه و محیط اطراف با احتمال بیشتری رخ می دهد. علاوه بر این در یک اندازه گیری، نمونه هایی استفاده می شود که این نمونه ها سابقه حرارتی و مکانیکی همسان داشته باشند به طور مثال اگر از نمونه های شیمیایی و مکانیکی و حرارتی متفاوت آنالیز حرارتی گرفته شود نتایج متفاوت میباشد زیرا اندازه گیری حرارتی متاثر از انرژی درونی نمونه ها است یک ماده می تواند توسط فرایندهای حرارتی و مکانیکی که ماده آن مواجه می شود تغییر کند.
این آنالیز حرارتی برای اندازه گیری تغییری که در ویژگی های فیزیکی یک ماده با تغییر دما به وجود میاید مورد استفاده قرار می گیرد. برای انجام آنالیز حرارتی و گرماسنجی مواد نکات متعددی وجود دارد که باید مورد توجه قرار بگیرد در صورتی که به نکاتی که در بالا بیان شد توجه نکنید و از مبانی آنالیزهای حرارتی با روش گرماسنجی آشنا نباشید می تواند مشکلات جبران ناپذیری را برای شما به بار بیاورد.
ثبت ديدگاه