探索三相点

科学研究中令人沮丧的真相之一是，简单且廉价的技术只能让你达到一定程度。 超过某个点，只有以不成比例的费用、汗水和挫败感为代价才能获得更高的精度。 这部分是因为精确的测量需要极其良好校准的仪器，而提供如此精确的刻度可能是一项令人头疼的挑战。

以温度计为例。 你可能会认为它们很容易校准：只需确定它们在两个已知温度下的读数，例如水的沸点和冰点。 但事情并非如此简单。 这些温度无法精确地重现，因为它们取决于难以控制的因素，例如大气压力。 对于精确的工作，研究人员必须求助于更复杂的技术。

一种方法基于水的一个绝佳的可重复特性：唯一温度，称为三相点，在该温度下，水可以以固态、液态和气态所有相态共存并达到平衡。 为了重现这个温度（定义为精确的 0.01 摄氏度），研究人员依赖于一个特殊的派热克斯烧瓶，其中装有超纯水，用真空泵抽空，然后用喷灯进行气密封口。 这样的“三相点瓶”每个售价 1,000 美元，超出了大多数家庭实验室的预算。

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但是这种情况即将改变，这要归功于加利福尼亚州维斯塔的天赋异禀的业余科学家乔治·施默蒙德。 他的设备在数天内保持在三相点大约 0.0001 摄氏度以内，且制造成本不到 50 美元。

该瓶子的结构很简单。 从一个派热克斯直壁烧瓶开始，直径约为五厘米（两英寸），长度至少为 17 厘米（七英寸）。 施默蒙德聘请了一位玻璃吹制工来加厚开口并稍微倾斜角度，以便烧瓶和大型橡胶塞之间紧密配合。 如果没有这些修改，瓶口可能会爆炸性地破碎。 作为预防措施，用电工胶带包裹烧瓶顶部的两厘米。

在瓶塞上钻一个孔，插入一个长长的派热克斯试管，使其到达烧瓶底部上方两厘米的位置。 然后用硅酮水泥气密封口接合处。 为了确保瓶塞和烧瓶之间紧密配合，在瓶塞底部三分之二的周围均匀涂抹一层薄薄的硅酮真空脂。

虽然专业的装置包含超纯三蒸水，但施默蒙德发现，杂货店买来的普通蒸馏水也能很好地工作。 向烧瓶中注水，直到水位到达组装后瓶塞下方约五厘米的位置。

接下来，您必须去除腔室大气中的空气以及溶解在水中的任何气体。 施默蒙德通过简单地煮沸水来消除对真空泵的需求——膨胀的蒸汽会将空气分子排出。 但是，首先，为了防止水沸腾得太剧烈，将一个干净的试管在毛巾中打碎，并将一些碎片放入烧瓶中，作为形成气泡的成核点。 然后，将瓶子固定在环形支架上，并将瓶塞轻轻地放在烧瓶顶部，以便蒸汽逸出。

用丙烷喷枪加热烧瓶底部，直到水轻轻沸腾。 烧瓶中溶解的气体会形成肉眼可见的气泡在内试管上。 保持水沸腾，直到对流将它们扫除，并且直到您在顶部不再看到任何冷凝。 当内部大气完全被热蒸汽取代时，冷凝就会消失。

移开火焰，快速按下瓶塞以形成气密封口。 在这样做之前，请务必穿上长袖和专业洗碗机使用的热水手套，以保护您的手和手臂。 另外，用毛巾抵住烧瓶。

如果您将热的、密封严密的瓶子浸入冷水中，瓶子内部的水会再次沸腾。 这种令人愉悦的效果发生在瓶子内的水蒸气凝结时，降低了内部压力，然后降低了沸点。 当瓶子完全冷却后，您应该通过轻轻垂直摇晃瓶子来测试真空的质量。 （小心，因为剧烈的震动可能会震碎玻璃。） 您应该听到一声清脆的“啪”声，这是所谓的“水锤效应”造成的：没有空气缓冲的水会全力撞击玻璃。 如果您没有听到声音，请重新产生真空。

为了达到三相点，首先将瓶子在冰箱中冷藏过夜。 接下来，您需要在内试管周围形成一个厚厚的冰套。 专业人士通常会将干冰和酒精的冰冷混合物倒入内井中，但施默蒙德使用液氮获得了极好的效果，液氮的温度要低得多。 您可以在当地的焊接用品商店找到这两种制冷剂。 在添加冷却剂之前，彻底擦干试管的内表面，因为如果井内结冰，玻璃可能会破裂。 请记住，折射会使冰套看起来比实际生长得更快。 当冰套看起来几乎要接触到烧瓶时，倒出剩余的制冷剂。

使用液氮会带来一个复杂的问题。 冰套将在底部形成最快，因为底部与氮气接触的时间最长。 为了使冰套更均匀，施默蒙德会定期让所有氮气沸腾殆尽，然后放入逐渐变长的木制销钉。 额外的氮气会在销钉周围剧烈沸腾，膨胀的气体倾向于将冷却剂保持在销钉顶部上方。

通过在井中注入蒸馏水和 10% 的异丙醇来融化冰套的内表面，从而将冰套与试管分离。 但是，当冰块剧烈破裂时，请不要惊慌。 当您旋转烧瓶时，如果冰套保持不动，则冰块不再粘在玻璃上。 当这种情况发生时，倒出足够的水-酒精混合物，使其液位低于冰块顶部两厘米。

最后，将瓶子放入装满碎冰和水的隔热饮料容器中。 由于冰套具有浮力，它会向上压在内试管的底部，使该点略微低于三相点。 铅笔橡皮擦的切屑是理想的垫片。 将温度计放在井内橡皮擦切屑的顶部。 大约一小时后，温度计将稳定在三相点。

为了确定温度，最好的温度计是通过测量细铂丝上的电阻来工作的。 由于铂金在给定温差下引起的电阻变化是众所周知的，因此三相点是您校准该仪器所需的全部。 可悲的是，这种温度计非常昂贵。 但施默蒙德也为此找到了答案，您将在我的下一篇文章中看到。