探索三相點

科學研究中令人沮喪的真相之一是，簡單且廉價的技術只能讓你達到一定程度。 超過某個點，只有以不成比例的費用、汗水和挫敗感為代價才能獲得更高的精度。 這部分是因為精確的測量需要極其良好校準的儀器，而提供如此精確的刻度可能是一項令人頭疼的挑戰。

以溫度計為例。 你可能會認為它們很容易校準：只需確定它們在兩個已知溫度下的讀數，例如水的沸點和冰點。 但事情並非如此簡單。 這些溫度無法精確地重現，因為它們取決於難以控制的因素，例如大氣壓力。 對於精確的工作，研究人員必須求助於更復雜的技術。

一種方法基於水的一個絕佳的可重複特性：唯一溫度，稱為三相點，在該溫度下，水可以以固態、液態和氣態所有相態共存並達到平衡。 為了重現這個溫度（定義為精確的 0.01 攝氏度），研究人員依賴於一個特殊的派熱克斯燒瓶，其中裝有超純水，用真空泵抽空，然後用噴燈進行氣密封口。 這樣的“三相點瓶”每個售價 1,000 美元，超出了大多數家庭實驗室的預算。

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但是這種情況即將改變，這要歸功於加利福尼亞州維斯塔的天賦異稟的業餘科學家喬治·施默蒙德。 他的裝置在數天內保持在三相點大約 0.0001 攝氏度以內，且製造成本不到 50 美元。

該瓶子的結構很簡單。 從一個派熱克斯直壁燒瓶開始，直徑約為五釐米（兩英寸），長度至少為 17 釐米（七英寸）。 施默蒙德聘請了一位玻璃吹制工來加厚開口並稍微傾斜角度，以便燒瓶和大型橡膠塞之間緊密配合。 如果沒有這些修改，瓶口可能會爆炸性地破碎。 作為預防措施，用電工膠帶包裹燒瓶頂部的兩釐米。

在瓶塞上鑽一個孔，插入一個長長的派熱克斯試管，使其到達燒瓶底部上方兩釐米的位置。 然後用矽酮水泥氣密封口接合處。 為了確保瓶塞和燒瓶之間緊密配合，在瓶塞底部三分之二的周圍均勻塗抹一層薄薄的矽酮真空脂。

雖然專業的裝置包含超純三蒸水，但施默蒙德發現，雜貨店買來的普通蒸餾水也能很好地工作。 向燒瓶中注水，直到水位到達組裝後瓶塞下方約五釐米的位置。

接下來，您必須去除腔室大氣中的空氣以及溶解在水中的任何氣體。 施默蒙德透過簡單地煮沸水來消除對真空泵的需求——膨脹的蒸汽會將空氣分子排出。 但是，首先，為了防止水沸騰得太劇烈，將一個乾淨的試管在毛巾中打碎，並將一些碎片放入燒瓶中，作為形成氣泡的成核點。 然後，將瓶子固定在環形支架上，並將瓶塞輕輕地放在燒瓶頂部，以便蒸汽逸出。

用丙烷噴槍加熱燒瓶底部，直到水輕輕沸騰。 燒瓶中溶解的氣體會形成肉眼可見的氣泡在內試管上。 保持水沸騰，直到對流將它們掃除，並且直到您在頂部不再看到任何冷凝。 當內部大氣完全被熱蒸汽取代時，冷凝就會消失。

移開火焰，快速按下瓶塞以形成氣密封口。 在這樣做之前，請務必穿上長袖和專業洗碗機使用的熱水手套，以保護您的手和手臂。 另外，用毛巾抵住燒瓶。

如果您將熱的、密封嚴密的瓶子浸入冷水中，瓶子內部的水會再次沸騰。 這種令人愉悅的效果發生在瓶子內的水蒸氣凝結時，降低了內部壓力，然後降低了沸點。 當瓶子完全冷卻後，您應該透過輕輕垂直搖晃瓶子來測試真空的質量。 （小心，因為劇烈的震動可能會震碎玻璃。） 您應該聽到一聲清脆的“啪”聲，這是所謂的“水錘效應”造成的：沒有空氣緩衝的水會全力撞擊玻璃。 如果您沒有聽到聲音，請重新產生真空。

為了達到三相點，首先將瓶子在冰箱中冷藏過夜。 接下來，您需要在內試管周圍形成一個厚厚的冰套。 專業人士通常會將乾冰和酒精的冰冷混合物倒入內井中，但施默蒙德使用液氮獲得了極好的效果，液氮的溫度要低得多。 您可以在當地的焊接用品商店找到這兩種製冷劑。 在新增冷卻劑之前，徹底擦乾試管的內表面，因為如果井內結冰，玻璃可能會破裂。 請記住，折射會使冰套看起來比實際生長得更快。 當冰套看起來幾乎要接觸到燒瓶時，倒出剩餘的製冷劑。

使用液氮會帶來一個複雜的問題。 冰套將在底部形成最快，因為底部與氮氣接觸的時間最長。 為了使冰套更均勻，施默蒙德會定期讓所有氮氣沸騰殆盡，然後放入逐漸變長的木製銷釘。 額外的氮氣會在銷釘周圍劇烈沸騰，膨脹的氣體傾向於將冷卻劑保持在銷釘頂部上方。

透過在井中注入蒸餾水和 10% 的異丙醇來融化冰套的內表面，從而將冰套與試管分離。 但是，當冰塊劇烈破裂時，請不要驚慌。 當您旋轉燒瓶時，如果冰套保持不動，則冰塊不再粘在玻璃上。 當這種情況發生時，倒出足夠的水-酒精混合物，使其液位低於冰塊頂部兩釐米。

最後，將瓶子放入裝滿碎冰和水的隔熱飲料容器中。 由於冰套具有浮力，它會向上壓在內試管的底部，使該點略微低於三相點。 鉛筆橡皮擦的切屑是理想的墊片。 將溫度計放在井內橡皮擦切屑的頂部。 大約一小時後，溫度計將穩定在三相點。

為了確定溫度，最好的溫度計是透過測量細鉑絲上的電阻來工作的。 由於鉑金在給定溫差下引起的電阻變化是眾所周知的，因此三相點是您校準該儀器所需的全部。 可悲的是，這種溫度計非常昂貴。 但施默蒙德也為此找到了答案，您將在我的下一篇文章中看到。