HAL Id: jpa-00234639
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Submitted on 1 Jan 1952
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L’interprétation quantitative de l’analyse thermique différentielle
J.-L. Soulé
To cite this version:
J.-L. Soulé. L’interprétation quantitative de l’analyse thermique différentielle. J. Phys. Radium, 1952,
13 (11), pp.516-520. �10.1051/jphysrad:019520013011051600�. �jpa-00234639�
L’INTERPRÉTATION QUANTITATIVE
DE L’ANALYSETHERMIQUE DIFFÉRENTIELLE
Par J.-L.
SOULÉ,
Laboratoire de Verneuil du Centre d’Études et Recherches des Charbonnages de France.
Sommaire. 2014 On étudie deux procédés pour l’interprétation quantitative de l’analyse thermique
différentielle :
a. on démontre que la surface du pic est proportionnelle à la masse de minéral réactif contenue dans le creuset. On donne une formule absolue faisant intervenir une certaine température mesurable.
Sous une autre forme, on met en évidence le rôle de la conductibilité de l’échantillon. On propose un montage pour éliminer ce rôle;
b. on étudie, par des considérations dimensionnelles, l’étalonnage nécessaire pour utiliser la hauteur du pic. Dans ce cas, il y a deux influences nouvelles : l’étalement de la transformation mise en jeu, les perturbations dues à la présence du couple.
Le choix d’une méthode dépendra du cas concret.
LE JOURNAL DE PHYSIQUE ET LE RADIUM. TOME
13,
NOVEMBRE 516.Introduction. -
Depuis quelques années,
diversauteurs se sont
appliqués
à rendrequantitative
l’ana-lyse thermique différentielle,
enparticulier
pour ledosage
duquartz.
A l’occasion de la mise aupoint
au Cerchar d’une telle
méthode,
laquestion
s’estposée
de fonderthéoriquement l’interprétation
desrésultats. C’est l’étude
mathématique entreprise
à cesujet qui
faitl’objet
de cette Note. On a cherché àla
développer
d’unpoint
de vue suffisammentgénéral
pour
qu’elle
soitapplicable
audosage thermique
detout autre corps.
Toute l’étude
expérimentale correspondante
a étéréalisée par A. F.
Boyer, Ingénieur
auCerchar,
dont le travail est
publié
par ailleurs.1.
Sixriace
dupic.
- nCrltique
d’une théorieprécédente.
- Paul F. Kerr et J. L.Kulp (1)
ontprésenté
une démonstration du fait que, toutes choseségales d’ailleurs,
la surface dupic
estproportion-
nelle à la
quantité
de minéral réactif contenue dans l’échantillonanalysé. Cependant :
a. cette démonstration revient essentiellement à admettre comme
point
dedépart
que le flux de chaleursupplémentaire qui pénètre
dans l’échan-tillon
pendant
samodification,
estproportionnel
àchaque
instant audécalage
detempératur e. Or,
cette
hypothèse
est manifestement inexacte dans lecas où la transformation en
chaque point
est trèsrapide,
car alors le flux entrant est maximum au moment où se transforme la couche extérieure de l’échantillon et, à ce moment, l’effet se fait encore àpeine
sentir sur latempérature
ducouple;
b. la formule obtenue est
présentée
comme uneapproximation,
alorsqu’on peut
la démontrerrigou-
reusement ;c. il y a dans la f ormule une « constante
géomé- trique
oqui
n’est pasexplicitée
etqui peut
l’être.Pour ces
raisons;
nous avons cherché une démons- tration mieux fondée.(1) Amer. JYlineral., 1948, 33, nos s 7-8, 387-419.
2°
Énoncé
duprobléme.
-- Un échantillon homo-gène
est enfermé dans un creuset clos(de
formequelconque).
La surface extérieure de l’échantillon est, àchaque instant,
à la mêmetempérature
que lecreuset, qui
suit une loi de chauffeimposée (quel- conque).
On admet que la conductibilité de l’échan- tillon est constante(et
n’est pas sensiblement modifiée par latransformation).
L’analyse thermique
différentiellerevient,
enfait,
à comparer la loi detempérature
en unpoint
del’échantillon avec la loi fictive de
température qui
aurait existé si la chaleur
spécifique
avait été diffé-rente de la réalité dans un certain intervalle de
température (en gardant
une valeurconstante).
30 Démonstration de la
formule fondamentale.
-Nous supposerons d’abord que la chaleur
spéci- fique
réelle ne devientjamais
infinie et varie defaçon
continue.Appelons
0 latempérature réelle,
8’ latempé-
rature fictive de référence. En tout
point
de l’échan-tillon et à
chaque instant,
onpeut
écrirel’égalité
dela chaleur entrée dans un volume élémentaire
pendant
dt et de la chaleuremmagasinée
(~, laplacien;
p, massespécifique; a, conductibilité;
C,
chaleurspécifique).
Pour l’échantillon
fictif,
on a de même(C’,
chaleurspécifique fictive).
’
Intégrons
ces deux relationsdepuis
l’instantinitial 1, (avant transformation) jusqu’à
uninstante
où la transformation est
partout
terminéeLes
laplaciens
étantcontinus,
onpeut
intervertir Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:019520013011051600517 le
signe à
avec lesigne d’intégration. Soustrayons
les deux
égalités précédentes
On a
D’autre
part,
où L est la chaleur
complète
de transformation par unité de masse del’échantillon,
c’est-à-direaLo (a,
teneur en minéralréactif ; Lo,
chaleur latente duminéral
pur).
Donc le second membre vautLorsque
letemps li augmente indéfiniment,
latempérature 8/1
dans l’échantillon fictif tend àrejoindre
latempérature 81
de l’échantillon réel.Donc à la
limite,
on obtientAinsi,
laquantité
u =(0
-0’) df, qui dépend
t0
du
point
de l’échantillonconsidéré,
satisfait dans tout le creuset à(1’) (quantité
constanted’après l’hypothèse
d’homo-généité).
D’autre
part,
sur toute la frontière 0 =or,
donc u = o. Ces deux conditions déterminent entièrement u
(problème
dePoisson).
On retrouve une condition
analogue
à celle àlaquelle
satisfait la différence detempérature
Tentre un
point
de l’échantillon et lafrontière, lorsque
la loi de chauffe est à vitesse constante V et que l’échantillon est enrégime permanent
avecune chaleur
spécifique
constante C. On a, eneffet,
En vertu de l’unicité de la
solution,
on aura doncSi
la
mesure est faite avec une telle loi de chaufie etsi,
au lieu deprendre
letemps
pour abscisseon
prend
latempérature imposée (ou
celle dutémoin
0 0),
on aura-
4°
Utilisation de laformule.
- Toutes choseségales d’ailleurs, L
estproportionnel
à laquantité
de minéral réactif contenue dans l’unité de masse et le résultat annoncé est démontré.
Il
s’agit
de savoir comment utiliser la formule pour faire undosage, lorsque
lespropriétés
calori-fiques
de l’échantillon sont inconnues. 8’ est latempérature qui correspond
à lasuppression
dupic.
Il suffira de mesurer T et la surface du
pic
en un même
point quelconque
de l’échantillon.Si l’on connaît
approximativement C,
on aura(il
suffit d’avoir la même unité en ordonnée pourmesurer la hauteur de
pic
0 - 0’ et ledécalage T;
pour mesurer
T,
lecouple
témoin doit être à latempérature
du blocmétallique).
Si l’on connaît la chaleur de transformation
Lo
du minéral
actif,
de sacomparaison
aveé L ondéduira la teneur a.
En
pratique,
il estplus
sûr deprocéder
par mesurerelative,
enpassant
d’abord des échantillons témoinsconnus. On aura à comparer les valeurs de
CS
Tobtenues dans
chaque
cas.Si l’on connaît la conductibilité À de l’échantillon et si l’on ne veut pas mesurer
T,
onpeut
trans-former la formule en utilisant la solution
(classique)
du
problème
de Poisson. On sait quea pour solution
où B est une
longueur caractéristique
du creuset,g un facteur
numérique dépendant
de la forme du creuset et de laposition
ducouple.
Si l’on
opère
parcomparaison
avec un échantillontémoin,
il y aura à comparersimplement
les valeurs de À S(qui
estproportionnel
à P a, c’est-à-dire fina- lement aupords
de minéralréactif
contenu dans lecreuset).
La valeur
numérique de g
est connue pour les formesgéométriques simples :
pour le centre d’unesphère
de rayonR,
c’est~;
pour unpoint
de l’axe’d’un
cylindre
infini de rayon R(cas auquel
onpeut
assimiler le
problème courant),
c’esty
4·5° Couronne isolante. - Nous allons montrer que l’on
peut
améliorer la sensibilité de la mesure en ne mettant pasdirectement
l’échantillon en contact avec la massemétallique,
mais en inter-posant
une couronne de matièreinerte
peu conduc-trice. Ceci constituera de
plus
unexemple
degéné-
ralisation de la loi de
proportionnalité.
Nous considérons donc une
première
cavité conte-nant
l’échantillon,
elle-même incluse dans une seconde contenant un matériau inerte peu conduc- teur. Posonstoujours
En tout
point
del’échantillon,
on aura encoreEn un
point
de l’isolantinerte,
on aura(démons-
tration
analogue)
(À1,
conductibilité del’isolant).
En un
point
deséparation
entre l’échantillon etl’isolant,
écrivonsl’égalité
des flux dans le cas réel et dans le cas fictif :(dérivées
normales dans l’isolant et dans l’échan-tillon).
Par
intégration
et pardifférence,
on obtientEnfin,
u est nul à lapériphérie
de l’isolant.Toutes ces conditions déterminent u dans l’isolant et l’échantillon.
Remarquons
que, cettefois,
à cause de(5), l’analogie
avec larépartition
de T n’estplus
valable
(sauf
si la chaleurspécifique
de l’isolant estnégligeable),
mais manifestement u(ou S)
en unpoint
donné est encoreproportionnel
à L. Précisons la valeur de u dans le cas concret suivant : les deux cavités sont descylindres
infinis coaxiaux de rayons .R etRI.
Si r est le rayon vecteurvariable,
on aura :
dans l’échantillon :
dans l’isolant :
d’après (6)
En
égalant
u dans l’échantillon et dans l’isolant pour r =R,
on aura,finalement,
dans l’axe :On voit donc que le
gain
relatif de sensibilité estégal
à - ~Remarquons
aussiqu’en pIaçant le couple
dansI’isolant,
on éliminerait de u(ou S)
la conductibilité inconnue de l’échantillon. Parexemple,
en leplaçant
à la limite entre l’échantillon et
l’isolant,
on auraCependant,
lepic
est alorsplus
étalé dans letemps,
donc de mesure moins
précise.
6° Validité de la loi de
proportionnalité.
--- D’unefaçon plus générale,
la loi deproportionnalité
entrela surface du
pic
et laquantité
de minéralactif,
reste vraie tant que les conditions
imposées
à latempérature
sont linéaires. Ainsi ce serait le cassi,
au lieu d’une
température imposée
à la « frontière », on avait une condition de Newton(par exemple chauffage
de l’échantillon par convectionforcée,
mais il faut alors
prendre
nécessairement pour abscisse letemps
et nonplus
latempérature
dutémoin
qui
ne suitplus
une loilinéaire).
On
peut,
demême,
enprofiter
pour rendre la loiplus rigoureuse
en faisant intervenir les dimensions et la chaleurspécifique
ducouple, qui
ne sont pasnégligeables,
mais constituent bien une condition linéaire pour latempérature.
70
Cas d’unetransformation
discontinue.-lorsque
la chaleur
spécifique
devient infinie pour une certainetempérature,
nous verronsplus
loinqu’en
unpoint qui
se trouve à cettetempérature,
la formule dedépart
duparagraphe
3n’a
plus
de sens(le gradient
detempérature
y est discontinu et AO n’existepas).
Dupoint
de vuephysique,
il sufl’lt de considérer ce cas comme un cas limite duprécédent.
Dupoint
de vue de larigueur mathématique,
onpeut
étendre la formule fondamentale(1)
de lafaçon
suivante. On commencepar démontrer que, dans tous les cas, le flux de chaleur d~
qui
traverse un élément de surface dS entourant unpoint
M entre deuxinstants 1, et 1,
est(n,
normaleorientée).
La démonstration
rigoureuse
de cette formules’obtient en
décomposant
l’intervalletOt1
defaçon
d0 .t . d
h’.
Il . 1que (fit
soit continue danschaque
intervallepartiel, puis
en intervertissant lessignes d’intégration
et dedérivation dans
l’expression
519
Partant de
(8) appliqué
à 0 et0,
on obtientOn
applique
alors à la fonction u le théorème de Green pour un volume fermé V(après
avoir écrit que la différence de chaleurgagnée
par V estégale
à la différence de chaleur entrée dans
V) :
d’où il résulte la formule
(1), lorsque
le volume tendvers zéro.
2. Hauteur du
pic.
- i° Généralisés. - Ledosage
par mesure de la surface dupic (avec couple central) présente
deux inconvénients :a. il nécessite de connaître la conductibilité de l’échantillon ou de mesurer
T,
cequi
constitue unesujétion gênante;
b. la mesure de la surface est
imprécise,
d’autantplus
que desphénoménes parasites (en particulier l’irrégularité
de lachauffe)
rendent presquetoujours
aléatoire la restitution de la courbe fictive.
D’où l’idée est venue à A. F.
Boyer d’envisager
la mesure,
beaucoup plus
commode etprécise,
de lahauteur du
pic.
Cette hauteur est suffisammentreproductible (5
pour dans de bonnes condi- tionsopératoires (calcination éventuelle)
pour encou- rager les recherches dans cette voie.Mais une double difficulté se
présente :
a. du
point
de vuethéorique,
l’établissement d’une formulecomplète,
même avec les schémas lesplus simplifiés,
se révèleinextricable;
b. du
point
de vuepratique,
la f orme dupic et,
par suite sahauteur, dépend,
pour une valeur donnée deL,
de l’étalement de latransf ormation,
donc de la structure cristalline du corps à doser.
Elle est par ailleurs sensiblement influencée par la
présence
ducouple.
D’où,
de toutesfaçons,
la nécessitéd’opérer
paréfalonnages
et de ne comparer que des échantillons où la structure cristalline est la même.z~ Conditions de similitude
(cas général).
- Desconsidérations dimensionnelles
permettent
depré-
ciser le processus
d’étalonnage
àadopter.
Le minéral à doser est
supposé
dans un état biendéfini,
de sorte que sa loi de transformation[c’est-
à-dire la fonction
Q (0)]
est déterminée. Parailleurs,
on
prendra
un échantillonhomogène
et l’onopèrera
avec un
appareillage
immuable. La chauffe se feraà vitesse constante
(et
lerégime
sera établi avant latransformation). Seule,
cette vitesse pourra être éventuellement modifiée.Le
pic [c’est-à-dire
la courbeh -0’ = j(0’)]
dépendra
donc :de la
quantité
de minéralréactif,
ou, si l’on veut, de la chaleur totale de transformation par unité demasse de
l’échantillon,
soitL;
de la chaleur
spécifique
de l’échantillon C endehors de la
transformation;
de la masse
spécifique
de l’échantillon o;de la conductibilité de l’échantillon
1, ;
de la vitesse de
chauffe,
soit V.La similitude
permet
de réduire cescinq
para- mètres à deux. Eneffet,
il suffit d’écrire que la courbe enquestion
estindépendante
des unités demasse, de chaleur et de
temps (qui
n’interviennent pas dans la définition des autres conditions du pro-blème, purement géométriques
outhermométriques)
pour voir que les seuls
paramètres indépendants
Sont L et X
sont -
C etL’étalonnage
leplus
commode consistera donc à faire varier laproportion
de minéral actif d’unepart,
la vitesse de chauffe d’autrepart.
La hauteur du
pic (c’est-à-dire
le maximumde 0 -
0’)
pourra être utilisée commerepère lorsque
l’on aura fait
l’étalonnage complet
et si l’on1
connaît
20132013’
Onpeut
remarquer que pour un mon-tage donné, j
est inversementproportionnel
audécalage
detempérature
T entre la masse métal-lique
et lecouple,
en dehors de la zone de trans- formation. De sorte que l’on aura, enfait,
une relation entre troistempératures :
On retrouve une difficulté
analogue
à celle de lamesure de la
surface,
du fait de l’influence de T.Mais nous allons voir comment, dans certains cas,
on
peut
réduire cetteinfluence
et, parsuite,
réduirel’imprécision
due aux erreurs d’évaluation de T.30
Différentes
lois detransformation.
- D’unefaçon générale,
onpeut
se rendrecompte
aisémentque la
fonction i
est une fonction croissante de chacune desvariables,
nullelorsque
l’une des variables est nulle.Mais en dehors de
cella,
l’allure de la fonction est trèsdifférente,
suivant la loi de transformation du minéral réactif.Supposons
que cette transformation soit très étalée. Cela revient à dire que l’échantillon aura une valeurspécifique
C lentement variable dans unecertaine zone. On se trouvera alors constamment
en
régime quasi permanent
et lepic reproduira
sensiblement la loi de modification de C
(pour
Tsufrlsamment
petit).
Il en résulte immédiatement que(e - e’ )111«’-
sera sensiblementproportionnel
à L
et à T.a c .
A
l’opposé,
supposonsqu’il
y ait un véritable«
point
» de transformation. Iln’y
aplus
d’échellede
température
dans les données duproblème.
Par raison de
similitude,
la fonctionf
est alorshomogène
dedegré
Ien L
e et T(alors qu’elle
étaithomogène
dedegré 2
dans le casprécédent).
Nousécrirons
2013
est un nombre sans dimension a. Pour unmontage donné,
ils’agira
de chercher à seplacer
dans une zone de valeurs de a, où p est aussi peu variable que
possible. Or,’
cela reviendratoujours
à
s’arranger
pour que a soit aussigrand
quepossible.
est une fonction croissante de oc,
on aura, en même
temps,
une sensibilité aussigrande
que
possible.
La seule action
possible
est deprendre
un creusetle
plus
vastepossible
et une loi de chauffe laplus rapide possible.
~ ~ Étude
de laf onction
(p. - La mesure dupic
n’est donc un moyen satisfaisant de doser le minéral réactif que
lorsque
l’on est certain d’avoir affaire àun véritable «
point
» de transformation. Onpeut
se rendre
compte
par le calcul que la hauteur dupic
au centre d’une
sphère
ou d’uncylindre
sera trèssensible à la durée de transformation. Il suffit que cette durée soit
égale
àquelques
centièmes de T pourqu’il
y ait une nette réduction dupic
théo-rique
et quel’homogénéité
de lafonction / dispa-
raisse. Par
ailleurs,
unedésorganisation
de la struc-ture du
minéral,
causant unléger
étalement de latransformation,
seraperceptible
sur la hauteur dupic :
cette indicationqualitative peut
avoir ,sonintérêt dans certains cas.
Quoi qu’il
ensoit,
nous avons cherché à déterminer par le calcul la fonction (p(a)
dans les cas lesplus simples (centre
d’unesphère
ou d’uncylindre).
Nous n’avons malheureusement pas pu résoudre cette
question.
Par raison de
symétrie,
l’isotherme de transfor- mation àchaque
instant a une forme connue(sphère
ou
cylindre);
il reste à savoir comment cet isothermese propage en fonction du
temps.
La condition à introduire est une discontinuité degradient (que
l’on obtient en écrivant la conservation de la chaleur dans un volume
compris
entre les isothermes de transf ormation à 1 et t +dl) :
(dx
est la vitesse dedéplacement
del’isotherme).
dt
Les deux méthodes de résolution
(qui
réussissent dans desproblèmes analogues) (2)
consistent soit à deviner letype
de la loi dudéplacement
et àpréciser
ensuite cette loi pour satisfaire à toutes les conditions duproblème,
soit à introduire une sourcede chaleur
(ou plutôt
ici un «puits »)
mobile et àchercher ensuite la loi de
déplacement,
defaçon
que lepuits
soit bien constamment à latempérature
de ,transformation,
cequi
conduit à uneéquation intégrale.
Sur ce secondprincipe,
nous avonssimple-
ment pu établir :
que pour a tendant vers
zéro,
u était de l’ordre de lapuissance (
de a;que
lorsque
ocaugmente indéfiniment,
yaugmente indéfiniment,
mais avec un ordre inférieur à toutepuissance
de oc(et
tend vers une constante en toutautre
point
que lecentre).
~~
Influence
ducouple.
- Enpratique,
il y aune circonstance
supplémentaire
dont il y a lieude tenir
compte :
c’est laperturbation
duphéno-
. mène due à la
présence
ducouple.
Elle se manifestede deux
façons :
d’unepart,
par l’existence d’un volume fini decapacité calorifique
non nulle(et
deconductibilité
quasi infinie),
d’autrepart
par une fuite de chaleur lelong
dufil, malgré
lagaine
iso-lante. Le
premier
effet revient à modifier les condi-tions
géométriques imposées
à latempérature (car,
en
pratique,
la chaleurspécifique
de l’échantillon variepeu);
le second effet estplus perturbateur,
caril variera avec la conductibilité de l’échantillon.
Il en résultera que, dans la
réalité,
les influences de V et desdans i
serontlégèrement
dissociées.L’influence du
couple
estbeaucoup plus grande
sur la hauteur du
pic
que sur la surface.60 Méthode
précise
dedosage
par la hauleur dupic.
- Il en résulte que pour un
dosage
aussiprécis
que
possible
par la hauteur dupic,
il seraprudent
de
procéder
de lafaçon
suivante :après
avoir mesuréla hauteur du
pic
pour l’échantillonobservé,
faireune estimation de la
quantité
de minéralqu’il contient, puis ajouter
unequantité comparable
etmesurer le nouveau
pic.
Connaissant l’allure de lafonction /
dansla’région L , C T),
/ où l’on opère,
on pourra en déduire une estimation
plus précise
du taux initial
(3).
Conclusion. - La difficulté d’une lecture
précise
de la surface d’un
côté,
l’influence deperturbations
sur la forme du
pic
del’autre,
fontqu’aucune
inter-prétation quantitative
n’estpleinement
satisfaisante dans tous les cas.Seule,
une étudeexpérimentale
serrée de
chaque
cas concretpermettra
de conclurequelle
est la méthodeappropriée
à ce cas etquelle
est sa valeur. Les considérations
qui
ont été déve-loppées
ici ne veulent êtrequ’un guide théorique
pour cette étude.
Manuscrit reçu le 3 1 mai 1952.
(2) CARSLAW et JAEGER, Conduction of heat in solids, London, 1948.
(3) BERKELHAMMER, U. S. Rept. 1914,
n- 3763. Cet auteur utilise la surface.