水三相點(diǎn)的復(fù)現(xiàn)是通過水三相點(diǎn)瓶的凍制和保存來實(shí)現(xiàn)的。水三相點(diǎn)瓶?jī)鲋蒲b置凍制方法主要有液氮凍制法、低溫酒精凍制法、干冰凍制法及自動(dòng)凍制法五種方式。
(一)水三相點(diǎn)瓶液氮凍制法
首先將放入裝有或在0℃-5℃的低溫操中進(jìn)行預(yù)冷,預(yù)冷一般需要2小時(shí)以上。預(yù)冷的主要目的是為了保證凍制的效率更高,同時(shí)減少容器所承受的溫差,避免水三相點(diǎn)瓶損壞。
將經(jīng)過預(yù)冷的水三相點(diǎn)瓶置于裝有碎冰的杜瓦瓶中。使用瓷杯等容器將液氮緩緩地倒入標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)插管內(nèi),從溫度計(jì)插管底部開始,分層凍制到水三相點(diǎn)瓶液面為止。如圖1所示zui初形成的冰套。
水三相點(diǎn)瓶?jī)鲋蒲b置凍制時(shí),由于液氮溫度計(jì)極低(可達(dá)-196℃左右),凍結(jié)速度較快,凍結(jié)的冰套會(huì)開裂,發(fā)出一定的爆裂聲,可觀察到溫度計(jì)插管周圍有許多片狀結(jié)晶,厚薄不均勻。適當(dāng)控制液氮的注入量,同時(shí)將頂部扎有棉球的玻璃棒插入溫度計(jì)插管內(nèi)以限制液氮停留的位置,上下拉動(dòng)玻璃棒即可以使液氮擴(kuò)散,保證整個(gè)冰套外表平滑,厚度均勻。
在凍制過程中,在溫度計(jì)插管外壁與容器內(nèi)壁之間一定不能形成冰橋。冰橋如圖2所示。因?yàn)楸鶚蛏a(chǎn)膨脹會(huì)產(chǎn)生很大的力矩,在其作用下極易使溫度計(jì)插管從上端與容器的連接處斷裂。若發(fā)生冰橋出現(xiàn),可以用自來水沖洗容器外壁,使冰橋融化。在凍制過程中,還要防止瓶頸液面處的冰生長(zhǎng)過快,出現(xiàn)冰套與玻璃容器內(nèi)壁(包括插管外壁)凍結(jié)的現(xiàn)象,極易造成容器漲裂破損,冰套與插管外壁、容器內(nèi)壁凍結(jié)如圖3所示。
要及時(shí)將水三相點(diǎn)瓶拿到自來水下沖洗外表及插管,使冰套與插管外壁、容器內(nèi)壁分離。然后再重復(fù)上述凍制過程。直至溫度計(jì)插管周圍形成厚度1-2cm、表面光滑、質(zhì)地均勻的冰套為止。凍制好的水三相點(diǎn)瓶如圖4所示。
冰套生成后,讓液氮全部揮發(fā),然后用經(jīng)預(yù)冷的純水把溫度計(jì)插管沖洗干凈。稍用力旋轉(zhuǎn)水三相點(diǎn)瓶,讓冰套圍繞插管旋轉(zhuǎn)。液氮制冷法使目前凍制速度zui快,但容易發(fā)生深度凍傷,對(duì)操作者具有一定的危險(xiǎn)性。
(二)水三相點(diǎn)瓶低溫酒精凍制法
把經(jīng)過預(yù)冷的水三相點(diǎn)瓶置于裝有碎冰的杜瓦瓶中。再將酒精低溫槽設(shè)置再-30℃左右(更低溫度也可以)。把適量低溫酒精灌入水三相點(diǎn)瓶溫度計(jì)插管中,大約三分之一高度。將一臺(tái)小型潛水泵(性能與常用魚缸用泵類似)的吸入口插到酒精低溫槽的酒精中,潛水泵的排除口與橡膠軟管以及加工成U形的銅管連接起來,將U形銅管插入水三相點(diǎn)瓶溫度計(jì)插管中。橡皮軟管末端再插入酒精低溫槽中,組成一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)。通過潛水泵將低溫酒精打入橡膠管和U形銅管中,銅管與溫度計(jì)插管進(jìn)行熱交換,導(dǎo)致溫度計(jì)插管外壁四周的純水溫度逐漸降低,當(dāng)溫度計(jì)插管外壁周圍出現(xiàn)許多細(xì)微、絨狀的結(jié)晶時(shí),表明已進(jìn)入過冷狀態(tài),這時(shí)取出水三相點(diǎn)瓶用力搖晃一下,溫度計(jì)插管四周會(huì)立刻“生長(zhǎng)"出許多細(xì)長(zhǎng)、片狀的冰晶。再經(jīng)水三相點(diǎn)瓶放回杜瓦瓶中,繼續(xù)凍制。在凍制過程中為防止瓶頸處的冰生長(zhǎng)過快,漲裂瓶頸,可以再瓶頸四周纏繞低電壓小功率的加圈(一般36V,不超過20W)或者及時(shí)用自來水沖洗瓶頸,使冰套與玻璃容器內(nèi)壁分離。在凍制過程中,也要防止出現(xiàn)冰橋,及時(shí)融化冰橋。
(三)水三相點(diǎn)瓶冰鹽混合物凍制法
冰鹽混合物凍制法是將經(jīng)預(yù)冷的水三相點(diǎn)瓶置于有雪花狀冰或碎冰的冰槽(如杜瓦瓶等)中。用冰屑或黃豆大小的冰粒,以3:1比例的冰、鹽混合物(一般可達(dá)-10℃左右)加入水三相點(diǎn)瓶溫度計(jì)插管內(nèi),視其融化情況不斷加入冰鹽混合物并吸出溫度計(jì)插管內(nèi)融化的水。凍制過程中可用細(xì)玻璃棒等插入溫度計(jì)插管,將冰鹽混合物壓入所需凍制部位。當(dāng)溫度計(jì)插管周圍形成厚度1-2cm、表面光滑、質(zhì)地均勻的冰套為止。凍制結(jié)束后,應(yīng)用經(jīng)預(yù)冷的純水把溫度計(jì)插管沖洗干凈。稍用力旋轉(zhuǎn)水三相點(diǎn)瓶,讓冰套圍繞插管旋轉(zhuǎn)。水三相點(diǎn)瓶冰鹽混合物凍制法成本較低,相對(duì)比較安全,但操作比較繁瑣。
(四)水三相點(diǎn)瓶干冰凍制法
水三相點(diǎn)瓶干冰凍制法是將粉末狀的干冰(固體二氧化碳)加入經(jīng)預(yù)冷的水三相點(diǎn)瓶溫度計(jì)插管中,一直填充到與三相點(diǎn)瓶中的水面平齊,再加入少量酒精作為熱交換介質(zhì),并輕敲擊容器外殼。當(dāng)干冰升華時(shí),不斷地加入干冰和酒精,以增加熱交換,減低溫度。大約1-2小時(shí)后,可使插管周圍形成均勻冰套。此時(shí),應(yīng)停止往管內(nèi)加干冰,待插管內(nèi)干冰*升華后,用經(jīng)預(yù)冷的純水把溫度計(jì)插管沖洗干凈。稍用力旋轉(zhuǎn)水三相點(diǎn)瓶,讓冰套圍繞插管旋轉(zhuǎn)。水三相點(diǎn)瓶干冰凍制法效率較高、成本較低,但操作繁瑣,容易發(fā)生凍傷,對(duì)操作者有一定危險(xiǎn)性。