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凍干基礎(chǔ):三相點(diǎn)

更新時(shí)間:2020-05-08 點(diǎn)擊次數(shù):4223

早期的時(shí)候是沒有凍干這個(gè)技術(shù)的,凍干技術(shù)的產(chǎn)生起源于三相點(diǎn)的原理。

要凍干的物質(zhì)中含量zui多的是水,因此我們研究的出發(fā)點(diǎn)從水開始。

在三相點(diǎn),水存在三種狀態(tài),即固體狀態(tài)的水也就是冰,液體狀態(tài)的水,也就是液體水,氣體狀態(tài)的水,也就是水蒸氣。這三種狀態(tài)對(duì)應(yīng)的就是物質(zhì)的三種狀態(tài)即固相、液相、氣相。三種狀態(tài)之間是會(huì)相互轉(zhuǎn)化的。一般來講從固態(tài)變液態(tài)、液態(tài)變氣態(tài)、固態(tài)直接變成氣態(tài)的過程是從分 子排列密、相互作用力大的狀態(tài),變?yōu)榉肿优帕惺?、作用力小的狀態(tài),這一過程要從外界收取熱量。而相反的過程則向外界放出熱量。 如下圖所示:三種狀態(tài)可以相互轉(zhuǎn)化,對(duì)應(yīng)的不同過程分別是升華、凝華、液化、汽化、凝固、熔化。

物質(zhì)三相轉(zhuǎn)化

液體水的蒸發(fā)速度隨著溫度的升高增快,在100°C時(shí)達(dá)到zui快,這時(shí)就會(huì)發(fā)生沸騰現(xiàn)象。只要是在正常海拔的開放環(huán)境中,不管外界溫度多高,水的溫度都不會(huì)超過100°C。它會(huì)在這個(gè)溫度下持續(xù)沸騰,直到全部轉(zhuǎn)變成水蒸氣為止,所以100°C也被稱為水的沸點(diǎn),也就是對(duì)應(yīng)大氣壓下水的沸點(diǎn)是100℃而這說的是開放的環(huán)境,也就是在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下。而如果海拔很高,氣壓就會(huì)遍地,水的沸點(diǎn)也會(huì)降低。而如果是密閉的環(huán)境,水變成水蒸氣以后跑不出去,就會(huì)造成空間內(nèi)的氣壓越來越高,這也會(huì)導(dǎo)致水的沸點(diǎn)發(fā)生變化。用高壓鍋煮東西,用的就是這個(gè)原理。既然沸點(diǎn)會(huì)隨著氣壓變化,把不同氣壓下的沸點(diǎn)都標(biāo)出來,便可以得到一條曲線,這就是水的液相和氣相之間相互轉(zhuǎn)化的臨界曲線。

同樣的道理,不僅沸點(diǎn)會(huì)受氣壓影響,熔點(diǎn)(凝固點(diǎn))和升華點(diǎn)(凝華點(diǎn))也會(huì)受到壓強(qiáng)影響,也可以畫出類似的曲線。把沸點(diǎn)曲線、熔點(diǎn)曲線、升華點(diǎn)曲線畫在一張圖上,便得到了物質(zhì)的三相圖。

物質(zhì)的三相點(diǎn)圖

縱坐標(biāo)是壓強(qiáng),橫坐標(biāo)是溫度。圖中黃色部分是固態(tài)的冰,色部分是液態(tài)的水,青綠色部分是氣態(tài)的水蒸氣。它們交界處的曲線,①是熔點(diǎn)/凝固點(diǎn)隨壓強(qiáng)變化的固-液相變曲線,②是沸騰點(diǎn)隨壓強(qiáng)變化的液-氣相變曲線,③是表示升華點(diǎn)/凝華點(diǎn)隨壓強(qiáng)變化的固-氣相變曲線。三條線交匯的點(diǎn),這叫做物質(zhì)的“三相點(diǎn)”。對(duì)于水來說,它的三相點(diǎn)處于溫度=0.01°C、氣壓=0.61Kpa的位置。在這個(gè)特定的環(huán)境條件下,不僅同時(shí)存在冰、水、水蒸氣三種狀態(tài),還能觀察到水沸騰。

在三相點(diǎn),可以同時(shí)看到水的三種狀態(tài)。從這三相點(diǎn)圖上就可以理解凍干了。

為了除掉水,先把溶液凍起來然后通過抽掉空氣、降低氣壓的方法,讓凍結(jié)溶液中的水升華出來。這種做法乍一看似乎不可思議,但是結(jié)合水的三相圖來看,其實(shí)不難理解。在-20°C的密閉環(huán)境中放置冰塊,抽掉空氣、降低氣壓,直到氣壓低于三相圖里那條紅色的固-氣相變曲線(③),冰便會(huì)通過升華作用轉(zhuǎn)變?yōu)樗魵馍⒁莩鋈?。這種先冷凍、再通過升華去除水分的方式,就叫做冷凍干燥,簡稱“凍干”。這就是凍干也就是真空冷凍干燥技術(shù)的起源原理了。而這里說的真空是因?yàn)槿帱c(diǎn)低于大氣壓的這種狀態(tài),其實(shí)就是低的水蒸氣分壓狀態(tài)下進(jìn)行的升華。

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