Análise Térmica Diferencial (DTA)
Autor: Evandro Trindade | Publicado: 2015-01-12T18:43:00-02:00


Histórico





Dispositivos precisos de medição de
temperatura, como termopares, termômetros de 


resistência, e pirômetro óptico,
estavam todos completamente estabelecidos na Europa ao final do século XIX.
Como resultado, foi inevitável que eles fossem logo aplicados em 


sistemas químicos
a elevadas temperaturas. Então, LeChatelier (1887), um estudioso tanto de
mineralogia quanto de pirometria, introduziu o uso de curvas apresentando
mudanças nas taxas de aquecimento como uma função do tempo, dTs / dt versus t,
para identificar argilas. O método diferencial de temperatura, no qual a
temperatura da amostra é comparada a uma amostra inerte de referência, foi
concebido por um metalurgista Inglês, Roberts-Austin (1889). Esta técnica
eliminava os efeitos da taxa de aquecimento e outros distúrbios externos que poderiam
mudar a temperatura da amostra. Ele também suprime a alta temperatura de ambos
os materiais, possibilitando a captação e ampliação de sinais menores.



Um segundo termopar foi colocado na
substância inerte estando suficientemente afastado da amostra de modo a não
sofrer sua influência. A diferença de temperatura, ΔT ou
T - Ti, era observada diretamente no galvanômetro enquanto um segundo
galvanômetro mostrava a temperatura da amostra. Saladin (1904) aperfeiçoou este
método através do desenvolvimento de um gravador fotográfico da ΔT
versus Ti. Um gravador fotográfico versátil baseado em um cilindro em rotação
foi desenvolvido por Kurnakov (1904). Este instrumento foi extensivamente utilizado
por trabalhadores Russos por muitos anos colaborando para a formação de seu
grupo ativo em DTA. Argilas e minerais de silicato formavam o assunto principal
dos estudos iniciais baseados na DTA, entendendo-se pelos próximos 40 anos. Por
causa das aplicações predominantemente geológicas a DTA foi desenvolvida
primeiramente por ceramistas, mineralogistas, cientistas do solo, e outros
geologistas. A era moderna da instrumentação para a DTA começou com a
introdução por Stone (1951) de um instrumento de controle dinâmico de
atmosferas. Este sistema permitiu o fluxo de um gás ou vapor através do suporte
da amostra durante o processo de aquecimento ou resfriamento. As pressões
parciais dos componentes ativos na fase gasosa podiam ser controladas durante o
ensaio de DTA. O efeito da atmosfera em relação a uma reação podia agora ser efetivamente
estudado. Em tempos mais recentes a rápida evolução dos polímeros e plásticos,
em particular, foi impulsionada pelo desenvolvimento da técnica e instrumentos.
Medidas precisas, rápidas, e simples de fenômenos como temperatura de fusão,
transição vítrea, e cristalização, bem como a habilidade de acompanhar
processos de cura, degradação, e oxidação de polímeros e materiais associados
têm levado a uma ampla aceitação das análises térmicas.




Definição




DTA é a técnica na qual a diferença de
temperatura entre uma substância e um material de referência é medida em função
da temperatura enquanto a substância e o material de referência são submetidos
a uma programação controlada de temperatura. Esta técnica pode ser descrita
tomando como base a análise de um programa de aquecimento. A figura a seguir,
mostra o diagrama do compartimento de DTA no qual são colocados dois cadinhos
(da amostra a ser analisada (A) e do material referência (R)), e dois sensores
de temperatura (um sensor em cada cadinho), em um sistema aquecido por apenas
uma fonte de calor. 









Diagrama
esquemático do compartimento da amostra na análise DTA




A amostra e o material de referencia são
submetidos à mesma programação de aquecimento monitorada pelos sensores de
temperatura, geralmente termopares. A referência pode ser alumina em pó, ou
simplesmente a cápsula vazia. Ao longo do programa de aquecimento a temperatura
da amostra e da referência se mantém iguais até que ocorra alguma alteração
física ou química na amostra. Se a reação for exotérmica, a amostra irá liberar
calor, ficando por um curto período de tempo, com uma temperatura maior que a
referência. Do mesmo modo, se a reação for endotérmica a temperatura da amostra
será temporariamente menor que a referência. Mudanças na amostra tais como
fusão, solidificação e cristalização são então registradas sob a forma de picos
(como mostrado no gráfico), sendo a variação na capacidade calorífica da amostra
registrada como um deslocamento da linha base.







&nbsp;Curva
típica de uma análise térmica diferencial.



a)
Variação da capacidade calorífica

b)
Reação exotérmica

c)
Reação endotérmica




Idealmente a área sob o pico da DTA deveria
ser proporcional ao calor envolvido no processo formador do pico. Existem
vários fatores que, entretanto, influenciam no gráfico tradicional da DTA,
inviabilizando a conversão da área em calor.





A curva DTA é então registrada tendo a
temperatura ou o tempo na abscissa, e μV na
ordenada. A diferença de temperatura é dada em μV devido ao uso de termopares em sua medição.
O uso principal da DTA é detectar a temperatura inicial dos processos térmicos
e qualitativamente caracterizá-los como endotérmico e exotérmico, reversível ou
irreversível, transição de primeira ordem ou de segunda ordem, etc. Este tipo
de informação, bem como sua dependência em relação a uma atmosfera especifica,
fazem este método particularmente valioso na determinação de diagramas de fase.




Aplicações da DTA&nbsp;





Alívio
de tensões;
Análises
de copolímeros e blendas;
Catálises;
Capacidade
calorífica;
Condutividade
térmica;
Controle
de qualidade;
Determinação
de pureza;
Diagramas
de fase;
Entalpia
das transições;
Estabilidade
térmica e oxidativa;
Grau
de cristalinidade;
Intervalo
de fusão;
Nucleação;
Transição
vítrea;
Transições
mesofase;
Taxas
de cristalização e reações.&nbsp;



Fatores que afetam as analises de DTA



Fatores Instrumentais&nbsp;





Taxa
de aquecimento
Atmosfera
Geometria
do forno e porta amostra&nbsp;



Fatores ligados a amostra&nbsp;



Natureza
da amostra
Quantidade
da amostra
Tamanho
da partícula
Densidade
de empacotamento
Condutividade
térmica
Calor
especifico&nbsp;



Exemplos de aplicações de DTA e TG



Bauxita e Seus Usos




A bauxita foi descoberta em 1821 por
Berthier, na localidade de Les Baux, no sul da França. É essencialmente produto
do intemperismo e lixiviação de uma gama variável de rochas, ocorrendo
geralmente em clima tropical ou subtropical, caracterizados por taxas de
precipitação pluviométrica elevada. O produto final é uma rocha rica em óxido
de alumínio, cuja composição mineralógica predomina uma associação em proporção
variável de três minerais: gibbsita ou hidrargilita, diásporo e boehmita.
Outros constituintes usualmente presentes, e que são considerados impurezas da
bauxita, são minerais de argilas (principalmente caulinita), hematita, goethita,
óxido de titânio, óxido de silício, além de uma considerável variedade de
elementos menores como cálcio, sódio, magnésio, fósforo, manganês, vanádio e
gálio. A bauxita é comumente aplicada na fabricação de alumínio metálico, mas
há também um grupo de aplicações para a bauxita não metalúrgica, no qual se
incluem: refratários (31%), abrasivos (24%), produtos químicos (16%), cimentos
de alta alumina (18%) e fabricação do aço (11%).



A composição da bauxita “in natura” determinará as características do minério.
Estas características definirão em qual grupo dos citados acima será empregado
o material.





Veja também:

Análises Térmicas,

Análise Termogravimétrica (TG).




Em breve:



Análise Crepitação.