凍干基礎(chǔ)：三相點(diǎn)

早期的時(shí)候是沒(méi)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(kāi)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(lái)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(guò)程是從分 子排列密、相互作用力大的狀態(tài)，變?yōu)榉肿优帕惺琛⒆饔昧π〉臓顟B(tài)，這一過(guò)程要從外界收取熱量。而相反的過(guò)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(guò)程分別是升華、凝華、液化、汽化、凝固、熔化。

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(kāi)放環(huán)境中，不管外界溫度多高，水的溫度都不會(huì)超過(guò)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(chēng)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(shuō)的是開(kāi)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(lái)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(lái)，便可以得到一條曲線(xiàn)，這就是水的液相和氣相之間相互轉(zhuǎn)化的臨界曲線(xiàn)。

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(huà)出類(lèi)似的曲線(xiàn)。把沸點(diǎn)曲線(xiàn)、熔點(diǎn)曲線(xiàn)、升華點(diǎn)曲線(xiàn)畫(huà)在一張圖上，便得到了物質(zhì)的三相圖。

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，紫色部分是液態(tài)的水，青綠色部分是氣態(tài)的水蒸氣。它們交界處的曲線(xiàn)，①是熔點(diǎn)/凝固點(diǎn)隨壓強(qiáng)變化的固-液相變曲線(xiàn)，②是沸騰點(diǎn)隨壓強(qiáng)變化的液-氣相變曲線(xiàn)，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(xiàn)。三條線(xiàn)交匯的點(diǎn)，這叫做物質(zhì)的“三相點(diǎn)”。對(duì)于水來(lái)說(shuō)，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(guān)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(lái)，然后通過(guò)抽掉空氣、降低氣壓的方法，讓凍結(jié)溶液中的水升華出來(lái)。這種做法乍一看似乎不可思議，但是結(jié)合水的三相圖來(lái)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(xiàn)（③），冰便會(huì)通過(guò)升華作用轉(zhuǎn)變?yōu)樗魵馍⒁莩鋈?。這種先冷凍、再通過(guò)升華去除水分的方式，就叫做冷凍干燥，簡(jiǎn)稱(chēng)“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(shuō)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。