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title: "热重分析仪 TGA互动实验｜Sandbox Physics"
description: "加热后质量少了，怎样分清真正失重、浮力和天平漂移？按相同条件加热空坩埚，先看浮力与天平漂移。"
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  en: "https://sandboxphysics.com/labs/thermogravimetric-analyzer/"
last_modified: "2026-11-04"
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IN31 · 把样品挂在热炉里的天平上

# 热重分析仪 TGA

**加热后质量少了，怎样分清真正失重、浮力和天平漂移？** 按相同条件加热空坩埚，先看浮力与天平漂移。扣除空白，再修正样品自己排开气体的影响，比较不同升温速率和气氛下剩余的失重。曲线直接给出质量变化；要分清蒸发和具体化学反应，还需要其他证据。

在流动气体里加热悬挂样品，扣除空坩埚读数。比较三种升温程序，检验一个有明确条件的单步动力学模型。

> 交互仿真：在浏览器中打开本页，即可调整参数并运行模型。

基础升温速率 $\mathrm{K\,min^{-1}}$ $10$ 主路标准气流量 $\mathrm{mL\,min^{-1}}$ $50$ 初始样品质量 $\mathrm{mg}$ $10$ 主路气体

已载入完整模拟记录。

按住金色阀柄旋转，保存新记录后比较改变的条件。

反应假设与程序

最终设定温度 $500$ 末段恒温／秒 $240$ 假定可释放质量比例 $0.3$ 假定活化能／千焦每摩尔 $110$ 六百五十开尔文假定速率／每秒 $0.015$ 噪声种子 $20431$ 称量与测温噪声

起始恒温六十秒，基础与双倍速率共同拟合，半速率只做核查。每次运行先冷却并重置天平热状态。

模型假设

采用悬挂式力补偿热天平。合成固体按一阶单步过程释放二氧化碳，产物分压抑制正向速率；不模拟逆向再反应、降温、氧气燃烧、多步反应或化学鉴定。炉体、样品、气室与天平都有有限响应。每份扫描保留原始称量和测温计数、设定温度、匹配空白、两条拟合升温与一条留出升温。独立已知质量、温度、响应和惰性样品观察检验标定。排开气体的体积独立给定，反应中保持不变。按进气密度修正的近似质量曲线，与条件动力学质量曲线分开。几何、热常数、速率、标准性能和密度均为教学假设；颜色、气流标记与加速回放为示意，不提供完整计量不确定度区间。

保留的模拟称量

## 少了多少，何时离开？

已存三速率记录

初始校正质量 $10.0\,\mathrm{mg}$

已观测终点失重 $30.0\,\%$

最快失重：实际样温 $348\,{}^\circ\mathrm C$

条件活化能 $110\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}$

> 交互称量曲线；测量与解释见下方说明。

> 交互导数曲线；单位与假设见下方。

温度、原始传感器与独立核查

> 交互测温通道。

> 交互原始称量通道。

两份已知冷质量标定增益与零点，第三份质量只做核查；两份恒温浴标定各温度通道，第三份检验。一次已知载荷阶跃标定天平响应，另一独立阶跃检验。空坩埚升温估计热漂移与时间漂移，另一个惰性样品检验完整校正。参考值及硬件尺寸均为合成教学定义。

校正依赖什么

向上的浮力与气流作用力减小表观质量。匹配空白去掉坩埚和可重复漂移，样品自身排气体积还需单独修正。金色观测曲线采用进气密度；产物会改变气室密度，紫色动力学质量还依赖拟合的产物气体平衡。活化能以单一一阶正向过程、已知二氧化碳抑制和恒定排气体积为条件。两条升温曲线拟合，较慢的第三条始终独立。

导数峰是这次扫描的最快失重位置，不是平衡分解温度，也不负责识别化学物种。单个恒温速率不能拆开活化能与频率因子。缺少末尾、失重未分辨、参考不匹配或留出预测失败时停报动力学。不提供完整不确定度区间，参考、体积、质量、气体定律和热模型误差均未完整传播；观测导数保留天平滞后与二十秒平滑。

装置与示意比例

几何单位为毫米。一只坩埚悬挂于炉外零位平衡梁，电磁线圈补偿作用力，电容传感器检测位置，机械零位环路按快速理想环路处理，采集电流另有有限读出响应；独立氮气保护路通入天平。主气流经过样品，从侧出口离开，箭头概括两立方厘米充分混合气室。样温通道假定代表集总样品。每立方毫米一点五毫克的合成初始密度确定体积，质量离开时体积保持不变。炉体与样品储存显热，声明的反应吸热；气体按理想混合气体计算，流量改变声明的等效热导。忽略内部温度梯度、逆反应、多步反应、湍流、腐蚀和逸出气体光谱。热颜色与气体标记为示意，不代表真实发光或逐点求解的流体轨迹。

物理教程

## 天平也感受着样品周围的气体

**背景** 样品挂在炉内，炉外微量天平把平衡梁保持在零位。补偿线圈的电流换算成质量读数，气体托力也包含在这份读数里。

**为什么值得理解** 加热同时改变气体密度和反应速度。先用空坩埚与独立标准分清这些影响，再讨论动力学。

先抓重点

- **核心问题**: 为什么最终失重接近不变，失重最快的温度却会移动？
- **一句话直觉**: 一共放走多少物质，与物质在什么时候离开，描述的是同一过程的不同侧面。

### 核心数学模型

#### 气体中的表观质量

$$
m_{\mathrm{app}}=m_{\mathrm{solid}}+m_{\mathrm{pan}}-\rho_gV+F_{\mathrm{drag}}/g+b(t,T_b)
$$

浮力向上。排气体积包含坩埚、悬挂件和样品；流动气体的作用力另有方向，漂移取决于时间与天平温度。

#### 这里采用的单步模型

$$
\dot\alpha=k_{650}\exp\!\left[-\frac{E}{R}\left(\frac1{T_s}-\frac1{650\,\mathrm K}\right)\right](1-\alpha)\max\!\left(0,1-\frac{p_{\mathrm{CO_2}}}{p_{\mathrm{eq}}(T_s)}\right)
$$

阿伦尼乌斯因子使用绝对温度。这是合成的一阶正向反应，带产物抑制，仅用于单调升温。

#### 沿时间求失重导数

$$
\mathrm{DTG}=-\frac{100}{m_0}\frac{dm}{dt}
$$

图中单位为每分钟百分比，采用二十秒差分窗口，并保留天平有限响应造成的滞后。

### 常见难点

#### 导数峰不是物种标签

**容易误解** 一个峰就能认出一种化合物。

**正确理解** 不同挥发物或反应可以失去同样多的质量，识别产物还需要气体分析或独立化学证据。

#### 只在一个温度停留

**容易误解** 一次恒温衰减就能同时确定活化能和频率因子。

**正确理解** 它给出两参数组合后的该温度速率，许多参数组合都能给出相同速率；不同热程序帮助拆开这层混淆。

### 动手实验

1. 01

   #### 拧动气阀

   按住金色阀柄旋转，再保存改变后的设置。

   **你会看到：** 流量改变气体停留、传热及气流作用力，旧记录保留原条件。

2. 02

   #### 换一种气氛

   比较“完整失重”和“产物气体抑制”。

   **你会看到：** 富含产物的气体推迟假定放气过程。反应若挤在很窄的温区，活化能可能仍分不开。

3. 03

   #### 加热快一些

   选择“升温追过样温”，展开温度曲线。

   **你会看到：** 程序、炉体与样品温度拉开，速率拟合读取样品实测通道。

4. 04

   #### 看看空坩埚

   展开原始传感器与标定。

   **你会看到：** 空坩埚加热也会漂移；每次样品扫描都有相同程序、气氛和流量下的独立空白。

5. 05

   #### 提前停下来

   选择“尾部没有收齐”。

   **你会看到：** 仍显示已观测的部分失重，不用部分终点归一化完整反应，也不报告活化参数。

物理结论

一起保留时间、实际样温、原始称量与匹配空白；再用未参加拟合的升温程序检验条件动力学。

## 相关实验与文章

物理仪器怎样测量 · 阅读路径

### 物理仪器怎样测量

这条阅读路径里用到本实验的文章，后面跟着它们推荐的其他实验。

1. [文章 **热重分析怎样把失重与气体托力分开**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/thermogravimetric-analyzer/)

场、流体与物质 · 入门路径

## 从电场到电子显微镜

先看懂电场、学会操控带电粒子，再算出电子的波长，用电子束观察晶体和表面。

[从这里开始 → **看见电场** 在偶极子周围移动探针，看电场是不是总指向电势地形的下坡方向。 观察 · 8 分钟](https://sandboxphysics.com/zh/labs/electric-field/)

1. [1 看见电场](https://sandboxphysics.com/zh/labs/electric-field/)
2. [2 电荷在场中转弯](https://sandboxphysics.com/zh/labs/charged-particle/)
3. [3 电子波长与加速电压](https://sandboxphysics.com/zh/labs/electron-wavelength/)
4. [4 电子衍射与倒空间](https://sandboxphysics.com/zh/labs/electron-diffraction/)
5. [5 TEM 明场、暗场与选区衍射](https://sandboxphysics.com/zh/labs/tem-mode-selector/)
6. [6 SEM 二次电子表面形貌](https://sandboxphysics.com/zh/labs/sem-topography/)

[查看完整路径 →](https://sandboxphysics.com/zh/topics/fields-and-matter/#starter-path)