31.2: Análisis Térmico Diferencial y Calorimetría Diferencial de Barrido

El análisis térmico diferencial (DTA) y la calorimetría diferencial de barrido (DSC) son métodos similares en los que la respuesta de una muestra y una referencia a un cambio de temperatura. En DTA la temperatura aplicada a la muestra se incrementa linealmente y la diferencia entre la temperatura del material de referencia\(T_{ref}\), y la temperatura de la muestra\(T_{samp}\), se registra como función de la temperatura de la muestra

\[\Delta T = T_{ref} - T_{samp} \nonumber \]Cuando la muestra se somete a un proceso exotérmico, como una cristalización o una reacción química, la temperatura de la muestra aumenta más que la temperatura de la referencia, resultando en un valor más negativo para\(\Delta T\). Para un proceso endotérmico, como la fusión de un material cristalino o la pérdida de aguas de hidratación, la temperatura de la muestra va por detrás de la de los materiales de referencia, resultando en un valor más positivo para\(\Delta T\). La figura\(\PageIndex{1}\) muestra la forma general de la curva de DTA con picos negativos que señalan un proceso endotérmico y picos positivos que señalan un proceso exotérmico. Los cambios en\(\Delta T\) eso no son picos, sino cambios en la línea base —como se ve en el extremo izquierdo de la curva en la Figura\(\PageIndex{1}\) — son el resultado de una transición de fase simple para la cual.\(\Delta H = 0\) En DSC la temperatura aplicada a la muestra se incrementa linealmente y la cantidad relativa de calor necesario para mantener se mide la muestra y la referencia a la misma temperatura. Para un proceso endotérmico, más calor fluye hacia la muestra y para un proceso exotérmico, menos calor fluye hacia la muestra. El resultado es una curva DSC que se parece a la de DTA (ver Figura\(\PageIndex{1}\)).

Figura\(\PageIndex{1}\): Ilustración que muestra curvas experimentales típicas para un análisis térmico diferencial (DTA) o un análisis de calorimetría diferencial de barrido (DSC) para un material polimérico. Para un análisis DTA, se mide la diferencia de temperatura\(\Delta T\),, y para un análisis DSC, se mide el flujo de calor. Las tres respuestas observadas aquí son, de izquierda a derecha, una transición de fase, una cristalización exotérmica y una fusión endotérmica.

Instrumentación

La figura\(\PageIndex{2}\) muestra los componentes básicos de un calorímetro de barrido diferencial de flujo de calor. La muestra y los materiales de referencia se sellan dentro de pequeñas bandejas de aluminio y se colocan en plataformas separadas dentro de la cámara de muestra. Las dos plataformas están conectadas por un disco metálico que proporciona una trayectoria de baja resistencia para mover el calor entre la muestra y la referencia para mantener una\(\Delta T\) de cero entre las dos. Otro diseño instrumental para calorimetría diferencial de barrido, que se denomina compensación de potencia DSC, coloca la muestra y la referencia en cámaras de calentamiento separadas y mide la diferencia en la potencia aplicada a las dos cámaras necesarias para mantener una\(\Delta T\) de cero.

Figura\(\PageIndex{2}\): Componentes del instrumento para un experimento de calorimetría diferencial de barrido (DSC). La muestra y el material de referencia se colocan (a) en pequeñas bandejas de aluminio, cada una con una tapa separada, y luego (b) la tapa y la sartén se engarzan juntas. La cámara de muestra en (c) permite aplicar calor a la muestra y la referencia, que se colocan en el centro de la cámara. Un primer plano de la cámara de muestra (d) muestra dos plataformas bien utilizadas en las que se coloca la muestra y la referencia. Una tapa aislada se asienta en la parte superior de la cámara de muestra. Aunque la configuración básica que se muestra aquí es para DSC, es similar a la instrumentación para un análisis térmico diferencial. Para un sentido de escala, la sartén en (a) tiene aproximadamente 5 mm de ancho y tiene una profundidad de 1 mm, y las plataformas en (d) también tienen 5 mm de ancho.

Aplicaciones

Integrando un pico en DSC o DTA para determinar su área,\(A\), da una señal que es proporcional a\(\Delta H\)

\[\Delta H = K \times A \nonumber \]

donde la constante de calibración,\(k\), se determina utilizando un material de referencia establecido. Tanto DSC como DTA encuentran aplicaciones en el estudio de polímeros, cristales líquidos y compuestos farmacéuticos.