热分析简明教程 HITACHI Inspire the Next 热分析实验和哲理 钱义祥 日立仪器（上海）有限公司 2015.3.24上海交大 (合时而著 合事而作)
热分析简明教程 热分析实验和哲理 钱 义 祥 日立仪器(上海)有限公司 2015. 3. 24 上海交大 （合时而著 合事而作）
引言 HITACHI Inspire the Next 我不是博士，不是教授，我是研究院所专门从事热分析研究的老人。淌佯于热分析50 余年。从热分析中所得到的乐趣是无穷的，使我不愿意从中走出来！ 热分析是实验科学，蕴含哲理，是本文取名“热分析实验和哲理”的寓意所在。 思维方式：热分析涉及物理、化学及其交叉学科，要从物理学的思维方式和化学的思 维方式去诠释热分析研究的热变化。 “热学”概念的演变。 科学知识和科学概念是有寿命的。“热学”从古代的“火与热”到今天的“量子统 计”的演变发展过程中，概念不断更迭。本文关注的“大数据时代的热分析”、“微 重力下的热分析”必将颠覆一些传统概念。 研究探索的内在动力在哪里？源于找寻自然界的真与美的情怀！ 思考热分析的过去、现在和未来。 “将来”就像“过去”一样展现在眼前。30一50年后的热分析是这样的？
引言 我不是博士，不是教授，我是研究院所专门从事热分析研究的老人。淌佯于热分析50 余年。从热分析中所得到的乐趣是无穷的，使我不愿意从中走出来！ 热分析是实验科学，蕴含哲理，是本文取名“热分析实验和哲理”的寓意所在。 思维方式：热分析涉及物理、化学及其交叉学科，要从物理学的思维方式和化学的思 维方式去诠释热分析研究的热变化。 “热学”概念的演变。 科学知识和科学概念是有寿命的。 “热学”从古代的“火与热” 到今天的“量子统 计”的演变发展过程中，概念不断更迭。本文关注的“大数据时代的热分析”、“微 重力下的热分析”必将颠覆一些传统概念。 研究探索的内在动力在哪里？ 源于找寻自然界的真与美的情怀！ 思考热分析的过去、现在和未来。 “将来”就像“过去”一样展现在眼前。30—50年后的热分析是这样的？
“鱼一渔”的需求和“授一受”的平衡 HITACHI Inspire the Next 与其授之以鱼，不如授之以渔。 既授鱼，又授渔
“鱼—渔”的需求和“授—受”的平衡 “与其授之以鱼，不如授之以渔。” 既授鱼，又授渔
HITACHI Inspire the Next ·传授知识，传授疑问
•传授知识，传授疑问
“热分析实验和哲理”目录 HITACHI Inspire the Next 一.热分析概述 1.热分析定义 2.热分析仪器 仪器类型 仪器校正及检定 3.热分析实验 热分析方法选用 实验方案设计及实验条件选择 热分析曲线解析 二.应用 用热分析观测物质的各种转变、反应和特性参数的应用实例。 或：不同研究领域的应用实例。 或：相对应的研究领域的应用实例。 三.热分析中的哲理 ◆热变化是永恒的主题◆变则通的哲理◆时空特性◆对偶性◆研究层次 ◆科学思维方法的运用◆问题方法-标准的思维方法 四.热分析中几个问题的思考 站在科学的高度，关注热分析面临的共同问题。 1.热分析峰的分离 2.大数据的热分析仪器 3.原位分析一穿戴设备 4.微重力下的热分析
“热分析实验和哲理”目录 一. 热分析概述 1. 热分析定义 2. 热分析仪器 仪器类型 仪器校正及检定 3. 热分析实验 热分析方法选用 实验方案设计及实验条件选择 热分析曲线解析 二. 应用 用热分析观测物质的各种转变、反应和特性参数的应用实例。 或：不同研究领域的应用实例。 或：相对应的研究领域的应用实例。 三. 热分析中的哲理 ◆ 热变化是永恒的主题 ◆变则通的哲理 ◆时-空特性 ◆ 对偶性 ◆研究层次 ◆ 科学思维方法的运用 ◆问题-方法-标准的思维方法 四. 热分析中几个问题的思考 站在科学的高度，关注热分析面临的共同问题。 1. 热分析峰的分离 2. 大数据的热分析仪器 3. 原位分析—穿戴设备 4. 微重力下的热分析
HITACHI Inspire the Next 热分析 和物理学中的 热学和力学
热 分 析 和物理学中的 热 学 和 力 学
热学 HITACHI Inspire the Next 新概念物理教程 热学 5-k.log W 新 (第二版】 超中罗面预 意流据到可指回时 玻尔兹曼墓碑上的 熵关系式 墓碑上没有墓志铭， 只有个熵关系式。 Bai@百耐
热学 玻尔兹曼墓碑上的 熵关系式 墓碑上没有墓志铭， 只有个熵关系式
HITACHI Inspire the Next 玻尔兹曼一 是地利科物中学家 坡尔袋编公式：S=kln①2 k一皱尔磁鼓常维S一 空现系统填值口/K灯 题轴地角暖0月0垂Ludaig Boltamann,144年2月0日一190年 月三行】：奥姓丰指速学家、桥力学好城计力y作两都人之一。最家数是 1344苹出生于离地阴维店封，66布获得捷由方大学增士学位，理你程 量后质就生要在两力学和统计意组方亚。163馆，估物菱克乘丰速爱村布 康作广对牌守方场作用下若满三，师男了装你雅骑分布建，182年，显格 慧疑建立了额提显方理（以背湖固方理》，用来过气体从非平衡态联平 新志应过理，1877年性又提出丁者容的城及破理境位比 挂期师 :400 626 6008 www.guatu.net
热学和热分析 HITACHI Inspire the Next 现代科学在不断分化的基础上，又高度融合起来，形成诸多交叉学科 热学]热学是物理学分支 热分析 物理一化学的交叉 热学是研究物质热现象、热运动规律以及热运动同其它 研究物质在某一特定温度时所发生的热学、力学、声学、光学、电学、 运动形式之间转化规律的一门学科。 磁学等物理参数的变化。 “热能” 温度一热的强度 热量一热传递的数量 热运动的能量，即“热能”。能量的概念贯穿于力、热、 热分析研究的是不同的能量状态（即温度）下物质分子或原子运动形式， 电磁、原子物理，乃至化学、生物等各种形态的运动之中。 表现为物理量（热量、质量、形变等)的变化，遵循“能量”变 能量相互转换且守恒。 换和守恒。 热学中最核心的概念是：温度、热量、热容量和潜热。 热容量 热物性参数测定： 某质量物质温度升高或降低1K时，所吸收 比热容 (或放出)的热量。 膨胀系数 模量 潜热 物理转变（相变） 单位质量物质相变时所吸收（或放出） 结晶一熔融 的热量。 居里点（磁性转变) 玻璃化转变 热化学。 化学转变 化学反应常常伴有放热或吸热的现象发生 固化、分解 研究这类现象的科学是热化学 氧化/还原、 动力学
热 学 和 热 分 析 现代科学在不断分化的基础上，又高度融合起来，形成诸多交叉学科 热学 热学是物理学分支 热分析 物理 — 化学的交叉 热学是研究物质热现象、热运动规律以及热运动同其它 研究物质在某一特定温度时所发生的热学、力学、声学、光学、电学、 运动形式之间转化规律的一门学科。 磁学等物理参数的变化。 “热能” 温度—热的强度 热量—热传递的数量 热运动的能量，即“热能”。能量的概念贯穿于力、热、 热分析研究的是不同的能量状态（即温度）下物质分子或原子运动形式， 电磁、原子物理，乃至化学、生物等各种形态的运动之中。 表现为物理量（热量、 质量、形变……等）的变化，遵循“能量”变 能量相互转换且守恒。 换和守恒。 热学中最核心的概念是： 温度、热量 、热容量 和 潜热。 • 热容量 热物性参数测定： 某质量物质温度升高或降低1K时，所吸收 比热容 （或放出）的热量。 膨胀系数 模量 • 潜热 物理转变（相变） 单位质量物质相变时所吸收（或放出） 结晶—熔融 的热量。 居里点（磁性转变） 玻璃化转变 • 热化学。 化学转变 化学反应常常伴有放热或吸热的 现象发生， 固化 、分解 研究这类现象的科学 是热化学 氧化 / 还原、 动力学
力学和热分析(TMA、DMA) HITACHI Inspire the Next 现代科学在不断分化的基础上，又高度融合起来，形成诸多交叉学科 方学☐力学是物理学分支 热分折物理一化学的交叉：物理—物理化学一化学物理一化学 力学的研究对象是机械运动。分为运动学、动力学和静力学。 研究物质在某一特定温度时所发生的热学、力学、声学、光学、电学、 力的概念是从动量守恒定律引入的，它是相互作用着的物体间 磁学等物理参数的变化。 单位时间内传递的动量。 DMA是测量样品在周期交变应力作用下，其动态力学性能与时间、温 度、频率等函数关系的一种仪器。 TMA、DMA中的力学原理 ◆ 力学原理 TMA、DMA 简谐振动： 在热/力条件下研究材料的动态力学行为。 用时间的正弦或余弦函数来描述的振动。 载荷是正弦波：应力控制、应变控制。 简谐振动特征参量：振幅、频率、和相位 热一力效应：由热引起的力学效应。 热1力 受迫振动：用周期力来激励的振动，如拉伸力、压缩力、剪切力 廿振 阻尼β越小，位移和速度的振幅峰值越尖锐。 强迫共振型：早期的DMA,七十年代前的仪器 强迫非共振型：当今DMA仪器。 振动模式 连续体力学一固体的弹性体 振动模式拉伸、压缩、弯曲、剪切 弹性模量K、剪切模量G、杨氏摸量Y和泊松比 测定弹性模量K、剪切模量G、杨氏模量Y和泊松比。 阻尼振动 李萨如(Lissajou)图形：不同频率垂直振动的合成 阻尼：(Tanδ)材料在每一振动周期内以热的形式损失的能量△W。 周期比为有理数时轨迹闭合，为无理数时轨迹不闭合。 DMA曲线的滞后圈。TMA的应力一应变曲线的滞后圈 机械能转变为热能 滞后圈的面积就是材料在一个振动周期内以热的形式损耗的能量△W 现代物理的对称性 镜像反射对称性 温度谱一频率谱的镜像对称 傅里叶分解和次谐频 合成波模式：多个不同频率的正弦波叠加后施加于试样的测定模式。 用“高分子物理”诠释高聚物的粘弹性 DMA研究高聚物粘弹性，得到材料的动态刚度和阻尼 高聚物在外力作用下的力学行为依赖于应变和应变速率。 DMA温度谱、频率谱、时间谱：得到特征温度、特征频率、特征时间 静态粘弹性（蠕变、应力松弛）动态粘弹性（滞后和内耗） 应力一应变曲线：得到杨氏模量、屈服应力后由软化、瓶颈、结晶引起 负应力及断裂能
力 学 和 热 分 析( TMA、DMA ) 现代科学在不断分化的基础上，又高度融合起来，形成诸多交叉学科 力学 力学是物理学分支 热分析 物理 —化学的交叉： 物理—物理化学—化学物理—化学 力学的研究对象是机械运动。分为运动学、动力学和静力学 。 研究物质在某一特定温度时所发生的热学、力学、声学、光学、电学、 力的概念是从动量守恒定律引入的，它是相互作用着的物体间 磁学等物理参数的变化。 单位时间内传递的动量。 DMA是测量样品在周期交变应力作用下，其动态力学性能与时间、温 度、频率等函数关系的一种仪器。 TMA、DMA中的力学原理 力学原理 TMA、DMA 简谐振动： 在热/力条件下研究材料的动态力学行为。 用时间的正弦或余弦函数来描述的振动。 载荷是正弦波：应力控制、应变控制。 简谐振动特征参量：振幅、频率、和相位 热—力效应：由热引起的力学效应 。 受迫振动：用周期力来激励的振动，如拉伸力、压缩力、剪切力 共振 阻尼β越小，位移和速度的振幅峰值越尖锐。 强迫共振型： 早期的DMA，七十年代前的仪器 强迫非共振型: 当今DMA仪器。 振动模式 连续体力学—固体的弹性体 振动模式:拉伸、压缩、弯曲、剪切 弹性模量K 、剪切模量G、杨氏模量Y和泊松比 测定弹性模量K 、剪切模量G 、杨氏模量Y和泊松比 。 阻尼振动 李萨如(Lissajou)图形： 不同频率垂直振动的合成 阻尼：（Tanδ）材料在每一振动周期内以热的形式损失的能量ΔW。 周期比为有理数时轨迹闭合，为无理数时轨迹不闭合。 DMA曲线的滞后圈。TMA的应力—应变曲线的滞后圈 机械能转变为热能 滞后圈的面积就是材料在一个振动周期内以热的形式损耗的能量Δ W 现代物理的对称性 镜像反射对称性 温度谱—频率谱的镜像对称 傅里叶分解和次谐频 合成波模式：多个不同频率的正弦波叠加后施加于试样的测定模式。 用“高分子物理”诠释高聚物的粘弹性 DMA研究高聚物粘弹性，得到材料的动态刚度和阻尼 高聚物在外力作用下的力学行为依赖于应变和应变速率。 DMA 温度谱、频率谱、时间谱：得到特征温度、特征频率、特征时间 静态粘弹性（蠕变、应力松弛）动态粘弹性（滞后和内耗） 应力—应变曲线：得到杨氏模量、屈服应力后由软化、瓶颈、结晶引起 负应力及断裂能。 热 / 力