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PHYSIKALISCHES INSTITUT – F-PRAKTIKUM
Protokoll
Differenz-Thermoanalyse
Intsar Ahmad Bangwi und Sven T. Köppel
Abgabe: 20.02.2011
Versuchsdurchführung: 24.01.2011
Thermische Analyse
Der Begriff „Thermische Analyse“ beschreibt verschiedene Messverfahren,
durch deren Hilfe Materialien charakterisiert werden können. Es wird die
Eigenschaft der Materialien in Abhängigkeit der Temperaturänderung und Zeit
gemessen.
Es gibt drei wichtige Thermoanalyseverfahren:
- die Differenzthermoanalyse (DTA)
- die Thermogravimetrie (TG)
- die Dynamische Differenzkalorimetrie (Differential Scanning Calometry,
DSC)
Weitere Verfahren, die sich Teilweise durch Kombination der der
Hauptverfahren ergeben sind:
- die Simultane Thermische Analyse (STA)
Differenzthermoanalyse (DTA)
Hierbei werden zwei Materialproben gleichzeitig verwendet. Das zu
untersuchende Material wird zusammen mit dem Referenzmaterial zeitgleich –
in der gleichen Messaparatur – erhitzt und wieder abgekühlt. Das
Referenzmaterial ist meist, je nach Situation, Korund für keramische Proben
und Molybdän für metallische Proben. Außerdem ist zu beachten, dass das
Referenzmaterial und evtl. Umgebungsgas chemisch inert sind, also sich im
Versuchsaufbau weitgehend Reaktionsunfreudig zeigen. Das Referenzmaterial
sollte im Untersuchungstemperaturbereich keinen Phasenübergang aufweisen.
Die Messung erfolgt durch zwei Thermoelemente, die sich je im Material und
Referenzmaterial befinden. Die Messdifferenz kann als Messkurve aufgetragen
werden, und anschließend Reaktionstemperatur und Reaktionswärme
bestimmt werden.
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Thermogravimetrie(TG)
Bei der Thermogravimetrie wird die Massenänderung eines Materials
untersucht, die bei Aufwärm -und Abkühlprozessen auftritt.
Die Massenänderung wird mit Hilfe von Thermowaagen bestimmt. Die
Thermowaagen arbeiten nach dem elektromagnetischen Prinzip. Die
metallische Waage wird durch EM-Spulen in der Ausgangsposition gehalten.
Neben der Messung der Massenänderung in Abhängigkeit der Temperatur wird
diese auch in Abhängigkeit der Zeit aufgezeichnet, die DTG-Kurve.
Während der Aufheiz- und Abkühlphase tritt eine gewisse Massenänderung
ein, welche durch Änderung der Auftriebskraft zustande kommt. Die
Massenänderung ∆𝑚 bei einer Temperaturänderung von 𝑇0 nach 𝑇 ist:
∆𝑚 = 𝑉𝜌(𝑇0 ) �1 −
𝑇0
�
𝑇
𝑚𝑖𝑡 𝑉 ≔ 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛
𝑢𝑛𝑑 𝜌 ≔ 𝐷𝑖𝑐ℎ𝑡𝑒 𝑏𝑒𝑖 𝑇0
Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC)
Die Dynamische Differenzkalorimetrie ist eine Weiterentwicklung der DTA.
Hierbei werden die Differenzströme zwischen Ofen und Material gemessen und
als Funktion der Zeit bzw. Temperatur aufgetragen. Die Messkurve zeigt nun
Peaks auf, deren Fläche proportional zur Wärmeaufnahme bzw. Abgabe sind.
Das DSC wird wiederum unterschieden in:
- Wärmefluss-DSC:
Die Proben werden auf einer wärmeleitenden Scheibe gestellt. Bei
Erhitzung fließt die Wärme über die Scheibe zum Temperaturfühler. Bei
gleichen Proben fließen gleiche Wärmeströme, die
Wechselstromdifferenz ist also Null. Bei Zustandsänderung der Proben
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entsteht eine Wärmestromdifferenz, welche proportional zur
Temperaturdifferenz ist.
- Leistungskompensierte-DSC
Hier werden die Proben in thermisch isolierten Öfen untergebracht. Die
Proben werden Temperatursynchron erhitzt bzw. abgekühlt, sodass zu
jedem Zeitpunkt die Proben die gleiche Temperatur haben. Die dafür
eingesetzte Leistung wird als Funktion der Temperatur aufgezeichnet.
Simultane Thermische Analyse (STA)
Die STA ist eine Kombination aus DTA und TG. Hierdurch ist es möglich die
Temperatureffekte aus der DTA und die Massenänderung aus TG gleichzeitig zu
betrachten und die Enthalpieänderung zu bestimmen. Außerdem wird durch
die Kombination die Messunsicherheit verringert.
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Das Thermoelement
Das Thermoelement basiert auf dem Effekt der Wärmeleitung.
Grundvoraussetzung für die Wärmeleitung ist, dass ein Temperaturgefälle in
einem Körper vorhanden ist.
Dadurch, dass die beiden Enden des Körpers ein Temperaturgefälle aufweisen,
befinden sich die Elektronen auf der „wärmeren“ Seite in heftiger Schwingung.
Das heißt auch, dass es durch die höhere Bewegungsenergie einen schnelleren
Elektronenfluss von warm zu kalt gibt. Somit ist das eine Ende elektronenärmer
und das Andere elektronenreicher.
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Der Seebeck Effekt
Der Seebeck Effekt besagt nun, dass bei Verbinden zweier unterschiedlicher
Leiter, die eine unterschiedliche Temperatur besitzen bei geöffnetem
Stromkreis eine Spannung, also die Thermospannung gemessen werden kann.
Die Thermospannung ist proportional zur Temperaturdifferenz.
Aufbau des Thermoelements
Bei Aufbau 1 wird die Referenztemperatur an den Klemmen des Messgerätes
verwendet. Bei Aufbau2 wird T1 als Referenztemperatur verwendet.
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Der Versuch
Im ersten Schritt wurde die Masse des Probenmaterials, in unserem Fall Gold,
bestimmt. Da sich die Proben bei der Versuchsdurchführung(DSC-Messung)
anschließend in Tigel(kleine Schälchen) befinden, müssen diese bei der
Massenbestimmung berücksichtigt werden.
leeres Referenz-Tigel
leeres Gold-Tigel
Gold (ohne Tigel)
0,1591g
0,16163g
0,12214g
Die Tigel wurden im zweiten Schritt in die DSC-Messapparatur eingesetzt. Nach
Schließen des Ofens und Evakuierung der Messapparatur konnte ein Programm
gestartet werden, welches die Messung vollautomatisch durchführt und die
Messkurven aufzeichnet.
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Bei obigem Messbild ist in Rot (gestrichelt) das typische Temperaturprofil
dargestellt. In Grün sind die beiden Peaks beim Aufheiz- bzw. Abkühlvorgang zu
erkennen. Die blaue Kennlinie zeigt die TG Messung an. Wir sehen an der
insgesamt fallenden kurve, dass ein gewisser Massenverlust gegeben ist.
Mit Hilfe der zweiten Grafik die Schmelztemperatur bestimmen.
Wir erhalten folgende Ergebnisse für unsere Messprobe GOLD:
- Schmelztemperatur (gemessen):
1066,60 °C
Literaturwert(wikipedia.de): 1064,18 °C
- Schmelzenthalpie(wikipedia.de): 12,4
𝑘𝐽
𝑚𝑜𝑙
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