跳到主要内容
Sandbox Physics
物理仪器怎样测量

走进仪器

热重分析怎样把失重与气体托力分开

把一点粉末挂进热炉,边加热边称量,就能知道它何时开始失去物质。但天平也在感受周围的气体。先量清空坩埚怎样随温度改变读数,剩下的质量变化才容易解释。这正是热重分析里看似简单、却决定结果的一步。

Sandbox Physics ·

样品在炉内,天平留在较冷的地方

普通天平称好一次就结束,热重分析仪要在流动气体里连续称量,有时一路加热到很高温度。细悬挂件把坩埚放进炉内,精密称量机构留在较冷的上方。气体带走逸出物,另一路保护气还会阻止热炉里的气体进入天平。

样品变轻后,平衡梁只需偏离一点,位置传感器就会察觉。反馈电路改变线圈电流,用电磁力把梁拉回原来的位置。连续记下补偿电流,再经已知质量标定,便得到随时间变化的称量信号。

来源:[1]

空坩埚加热也会改变读数

气体像水一样,会托起浸在其中的物体。托力很小,微量天平仍能分辨。温度升高,气体密度下降,坩埚受到的托力随之减小。即使坩埚一粒材料也没掉,读数仍可能略微上升。

托力取决于排开的气体体积,坩埚、悬挂件和样品都占了一份。先按同样气氛、流量和热程序量空坩埚,可以扣去支架浮力以及可重复漂移。样品自己多排开的那一点气体,还需要知道它的体积才能修正。若样品放出大量气体,附近密度也可能改变,校正就进一步依赖气体如何被带走。

来源:[2][3]

质量与失重速度回答不同的问题

设想十毫克样品最后稳定在七毫克,两段平台相差三毫克,直接说明离开了多少质量。再看每分钟减少多少,就能找出失重最快的时段。这条速率曲线常称为失重导数曲线,峰顶指向那次实验里最活跃的一刻。

把温度也同时记下来,便可说峰出现在什么样温。这里要跟着样品本身走:炉体在加热,样品吸热,热量传入需要时间,程序显示的温度可能已经领先。提高升温速度,这些温度之间的距离往往更明显。

来源:[1]

升温速度和周围气体会一起改写过程

反应在高温通常更快,却也需要时间。慢慢加热时,样品在较低温度已经能反应一会儿;快速扫过同样温区,来不及完成的部分会留到更高温。两次最终失重可以相近,最快失重的温度仍会不同。

周围气体还能参与反应。某些分解会放出二氧化碳,二氧化碳积得越多,逆向反应越容易抵消正向分解。实验中增加二氧化碳比例,就能把失重推向高温。气流带走产物的快慢也有影响,气氛与流量都属于实验条件。

给定一个单步反应模型,可以让同一组速率参数同时解释几种升温曲线,再拿一条未参加拟合的曲线试预测。只在一个恒温点观察衰减,往往只能知道那个温度下反应有多快;描述温度敏感程度的活化能,还需要不同温度下的变化来帮助确定。

来源:[4]

失去三毫克,还要追问是什么离开了

水蒸发、溶剂挥发和固体分解,都可能留下相似的失重台阶。几个过程重叠时,也可能合成一个峰。温度、气氛和速率比较缩小了解释范围;要知道逸出的是水、二氧化碳还是别的分子,可以把出口气体送入红外光谱仪或质谱仪。热天平给出质量变化,气体分析接着回答离开了什么。

来源:[1]

来源与延伸阅读

  1. TA Instruments, TGA 2950 Thermogravimetric Analyzer, TA031B

    技术、工作原理与吹扫系统页:零位平衡、力补偿电流、受控气氛和邻近热电偶。配图采用合成悬挂式架构,不复刻该产品或采用其性能指标。

  2. Setaram, TN745 Hang-down thermogravimetric analysis technology

    浮力、细悬挂件及空白相减部分:气体密度、支架和样品排气体积以及重复性进入称量校正。不采用产品间优劣宣传。

  3. Füglein and Schmölzer, TGA Measurements By Means of the BeFlat Correction, NETZSCH (2012)

    引言和空白测定:按相同温度、流量和气氛单独测量空坩埚。不模拟专有自动校正或采用其数值性能。

  4. Moukhina et al., Kinetic Analysis of Pressure-Dependent Reactions in Solids, NETZSCH OnSet 29 (2025), pp. 18–20

    二氧化碳对可逆分解的影响及升温速率比较。教学例子采用声明的正向抑制规律,不采用文献碳酸钙数据或完整可逆反应拟合。

反馈这个页面有错误、看不明白,或者缺了什么?告诉我们
反馈类型

提交时会附带本页地址、Lab ID、网站语言和设备类型。请不要填写个人信息。反馈最多保存 12 个月。隐私政策