冰桥对水三相点的影响

　　0　前言

　　水三相点的温度为0·01℃,是纯水的气、液、固三相共存且处于热平衡时的温度,是ITS-90国际温标重要的定义固定点[1],也是开尔文热力学温度的唯一参照点。水三相点是利用水三相点容器来复现的。通常采用四种不同的冻制方法(①液氮法、②干冰法、③低温热管法、④液氮冷却铜棒法)在容器内冻制冰套,并将其保存在装满碎冰的杜瓦瓶或者恒温水槽内。由于碎冰的温度低至-0·029℃,因此,利用其保存容器时,容器内处于一定真空度的高纯水处于过冷状态;此外,由于杜瓦瓶内的碎冰温度在垂直方向上存在温度梯度。通常杜瓦瓶底部为冰水混合物,相对于上部的碎冰而言,其温度最高;利用铂电阻温度计对其温度进行测量,统计结果表明,其温度通常为-0·007℃~-0·01℃。而上部碎冰的温度相对较低,因此,容器上部液面在温度计阱外壁与容器内壁间会生成固态的一层冰,称之为冰桥,如图1所示。而我们采用英国ISOTECH专门保存水三相点容器的恒温槽,因其温场非常均匀且其设定温度为0·01℃,因

　　此,利用该恒温槽保存的水三相点容器内就没有生成冰桥。研究表明[2],冰桥会对水三相点造成影响,但其并未指出冰桥影响的程度。因此,我们将通过实验来研究冰桥对水三相点的影响程度。

　　1　实验及测量

　　我们采用液氮法在水三相点容器(s/nNIM-1-53)冻制了冰套,并将其保存在保温性能良好的杜瓦瓶内。利用SCOTSMAN制冰机来生产碎冰,每天将杜瓦瓶内融化的冰水倒出并换上新制备的碎冰。鉴于上述原因,在容器内总有冰桥存在。在每次换冰时,用自来水或者用手捂住冰桥对应容器外壁来融化冰桥。冰桥的厚度越厚,产生径向的力就越大,容器就越容易破裂。利用液氮冻制冰套,由于液氮的温度(约-196℃)很低,在冰套冻制中产生了很大的应力。研究表明[3][4]将容器在杜瓦瓶或恒温槽保存5~7天后,随着冰晶尺寸的慢慢长大,应力的消除,不同冻制方法对水三相点的影响即可消除。因此,为了最大程度消除应力对水三相点的影响,在冻制后14天时,再开始进行对比实验来研究冰桥的影响。在冰桥存在时,往温度计阱内插入铂电阻温度计,当其与内融层达到热平衡时测量水三相点;随后融化冰桥,当冰套可以绕温度计阱自由转动时,重新插入铂电阻温度计。当其与内融层重新处于热平衡时,重新测量水三相点值。两次测量的差值,就作为冰桥对水三相点的影响值。在实验中,先后采用了两种不同测量精度的电桥(F18电桥、9975电桥),其中F18电桥的测量精度为0·1mK,而9975电桥的测量精度为0·01mK。首先,利用两支铂电阻温度计(s/n 68002、s/n 68015)、F18交流比较仪电桥来研究冰桥的影响程度,测量结果如表1所示。随后,选用测量精度更高的9975型直流比较仪电桥、工作基准铂电阻温度计(s/n 400131)来进行实验测量,测量结果如表2所示。表1、表2中所有数据都经过静压、自热、桥温修正。