差示掃描量熱儀(DSC)的核心功能是測(cè)量樣品在程序控溫過(guò)程中發(fā)生的熱效應(yīng)。其工作原理的本質(zhì)是動(dòng)態(tài)的熱流補(bǔ)償與精確測(cè)量,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)焓變、熔點(diǎn)、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度等關(guān)鍵熱力學(xué)參數(shù)的量化。
一、核心設(shè)計(jì):對(duì)稱(chēng)性與差分測(cè)量
DSC的核心部件是一個(gè)精密的熱爐,內(nèi)部裝有兩個(gè)獨(dú)立的測(cè)量平臺(tái):一個(gè)用于放置被測(cè)樣品(S),另一個(gè)用于放置惰性參考物(如空坩堝或氧化鋁粉末)。這兩個(gè)平臺(tái)通過(guò)一個(gè)熱流傳感器緊密相連,構(gòu)成一個(gè)對(duì)稱(chēng)的測(cè)量系統(tǒng)。這種差分設(shè)計(jì)旨在消除背景熱干擾,只測(cè)量樣品本身的熱效應(yīng)。
二、工作過(guò)程:熱流差的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償
在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中(如升溫、降溫或恒溫),儀器控制系統(tǒng)始終致力于維持樣品端與參考端的溫度一致。當(dāng)樣品發(fā)生物理或化學(xué)變化時(shí)(如熔化吸熱或結(jié)晶放熱),它會(huì)吸收或釋放熱量,試圖使其溫度低于或高于參考端。
此時(shí),DSC的檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)立即探測(cè)到這一微小的溫度差(在功率補(bǔ)償型DSC中),并迅速向樣品端或參考端補(bǔ)償相應(yīng)的電能,使兩端溫度恢復(fù)平衡。這個(gè)為維持溫度平衡所需補(bǔ)償?shù)墓β剩▎挝唬汉镣撸琺W),即直接等于樣品吸收或釋放熱流的速率。因此,儀器的縱軸信號(hào)直接記錄為熱流率(HeatFlow)。
三、數(shù)據(jù)解讀:從熱流曲線到焓變計(jì)算
最終,我們得到一條熱流率隨溫度或時(shí)間變化的曲線。曲線上的峰(吸熱)或谷(放熱)即代表了樣品的熱事件。
焓變(ΔH)的計(jì)算便基于此曲線:一個(gè)熱事件所吸收或釋放的總熱量,等于其峰面積對(duì)時(shí)間的積分。計(jì)算公式可簡(jiǎn)化為ΔH=K×A/m,其中:
A是峰的面積。
m是樣品的質(zhì)量。
K是儀器常數(shù)(靈敏度系數(shù)),通過(guò)測(cè)量已知熔融焓的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(如銦)進(jìn)行校準(zhǔn)確定。
綜上所述,DSC通過(guò)精妙的差分設(shè)計(jì),將樣品微妙的熱變化轉(zhuǎn)化為可測(cè)量的電信號(hào)(熱流差),并最終通過(guò)積分計(jì)算,將動(dòng)態(tài)的熱流曲線轉(zhuǎn)化為定量的焓變數(shù)據(jù),從而揭示材料的本質(zhì)熱性質(zhì)。