導(dǎo)熱介質(zhì)的冰點 凝固點和三相點定義及區(qū)別

防凍是太陽能專用導(dǎo)熱介質(zhì)的最基本性能，冰點是衡量介質(zhì)抗凍性能的指標，但在實際應(yīng)用過程中，大家對冰點、凝固點、三相點甚至用于潤滑油行業(yè)的凝點容易混淆，更有甚者曲解相關(guān)概念，影響了廣大同仁對導(dǎo)熱介質(zhì)防凍性能的認識，現(xiàn)就相關(guān)問題從物理及化學的基礎(chǔ)定義出發(fā)進行闡述，為大家提供科學的認識。 　　眾所周知，目前間接換熱的太陽能熱水系統(tǒng)都要用到導(dǎo)熱介質(zhì)，除了要求沸點在150℃以上的使用油性介質(zhì)外，大部分應(yīng)使用水基的集環(huán)保、長效、阻垢、防腐、緩蝕、防凍、防沸、低泡、熱穩(wěn)定性好和導(dǎo)熱效率高等多種優(yōu)異性能為一體的專用換能液。 　　使用乙二醇或丙二醇為基礎(chǔ)的水溶液作為防凍液很早就在各行各業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，目前在間接式太陽能熱水系統(tǒng)中作為“血液”，起著至關(guān)重要的循環(huán)熱媒作用。 　　以這兩種原料為基礎(chǔ)的水溶液，根據(jù)抗凍劑成分的占比而有著固定的冰點，數(shù)據(jù)均在2009版《美國供暖制冷與空調(diào)工程師學會手冊》中可以查到，并且作為汽車防凍液使用時，冰點也是作為衡量其防凍性能的指標，檢測方法是我國的石油化工行業(yè)標準SH/T 0090-91。 　　那么冰點和凝固點是否相同？哪一種或者其他概念更能有效衡量太陽能專用導(dǎo)熱介質(zhì)的防凍性能？下面我們就有關(guān)概念進行詳細剖析。 　　在討論冰點之前我們還要了解一下水的三相點，三相點是指純水的汽、液、固三相平衡之點，固液相的蒸氣壓相等，化學手冊上水的三相點溫度為0.0100℃，這一數(shù)值在1948年召開的第九屆重量和度量全會上（The 9th General Conference of Weights and Measures）被制定作為國際溫標六個基本平衡溫度之一。 　　另外，在物理化學中，國際單位制的定義：“熱力學溫度單位開爾文是水的三相點熱力學溫度的1/273.16”，可見三相點溫度273.16K是一個準確值，實測溫度可達0.0001K，相應(yīng)三相點的壓強約為610Pa，三相點溫度為273.16K-273.15K=0.01℃。因此，1948年的國際會議以純水的三相點為標準，下了一個零點定義，即純水的三相點以下0.0100℃為零點，這就是我們?nèi)粘Ｓ玫降谋c（或凝固點）之基準起源。 　　凝固點是衡量晶體物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的重要指標，是在一定壓強下該物質(zhì)固相和液相處于平衡時的溫度，是固定值，而不是溫度范圍，凝固點是隨壓強的改變而變化的，對于大多數(shù)物質(zhì)來說，壓強增加，凝固點稍有升高，但是對于水來說，壓強增加，凝固點稍有降低，由前文可知，純水在610Pa時的凝固點為0.0100℃，而在一個標準大氣壓（101.325KPa）時凝固點為0℃。但壓強對固體、液體體積的影響都很小，所以壓強改變時凝固點變化很小，在日常使用和檢測中，溫度計的精確度根本無法體現(xiàn)這一細小變化值。 　　以上講的三相點和凝固點都是在純水出基礎(chǔ)上得到的結(jié)論，也就是水中不能溶解有空氣、溶質(zhì)等，而日常中我們經(jīng)常見到的水多多少少都溶解了一些物質(zhì)，由于濃度不同，凝固點也就不一樣，大氣壓強不同，凝固點也不一樣；水中加入溶質(zhì)后降低了水的凝固點，這就是防凍液的抗凍原理。 　　因此對于以水為基礎(chǔ)的溶液也就有了日常使用中不十分嚴格的“冰點”來代替嚴格的“凝固點”之概念，冰點通常指的是一個大氣壓（101.325 KPa）時水或水溶液的凝固點，是通行的防凍液檢驗指標。 　　近來，行業(yè)內(nèi)有人提出太陽能專用導(dǎo)熱介質(zhì)的冰點和凝點區(qū)別，主張導(dǎo)熱介質(zhì)的冰點是溶液開始有結(jié)晶出現(xiàn)時的溫度，凝點是溶液全部結(jié)成一個“冰坨子”時的溫度，凝點要比冰點低幾度，并且以凝點作為衡量導(dǎo)熱介質(zhì)防凍性能的標準，這一觀點是不符合科學常識，違背了化學中的基本原理。所謂的凝點低于冰點幾度，這只是粗淺看到了表面現(xiàn)象，沒有深入探究本質(zhì)，之所以觀察到溶液完全凝固時溫度低于開始出現(xiàn)結(jié)晶時，這是因為出現(xiàn)了過冷現(xiàn)象，這在石油化工行業(yè)標準《發(fā)動機冷卻液冰點測定法》中對這一現(xiàn)象進行了規(guī)避，并詳細規(guī)定了標準的冰點測定與修訂方法，使用溫度與時間坐標法確定防凍液的冰點；換句話講，在達到冰點時，即使維持溫度不變，只要外界環(huán)境及時吸收掉溶液凝固所放出的熱量，溶液也會完全結(jié)成一塊“冰疙瘩”；如果采用了凝點比冰點要低幾度的觀點，當外界環(huán)境達到冰點時，即使氣溫維持在冰點不再下降，也會存在平板式太陽能整個換熱系統(tǒng)被凍裂的風險。 　　如果說上述觀點中凝點指的是潤滑油行業(yè)凝點，那更不能作為衡量導(dǎo)熱介質(zhì)防凍性能的指標，因為潤滑油行業(yè)的凝點是針對沒有明確凝固點的非晶體石油產(chǎn)品而提出的，對于石油產(chǎn)品來講，所謂“凝固”只是作為整體看失去了流動性，并不是所有部分都變成了固體；凝點的定義是潤滑油及深色石油產(chǎn)品在實驗條件下冷卻到液面不移動時的最高溫度，測定方法可依據(jù)國標：將試樣裝在規(guī)定的試管中，并冷卻到預(yù)期的溫度時，將試管傾斜45℃經(jīng)過1分鐘，觀察液面是否移動。 　　綜上所述，凝固點是晶體物質(zhì)的固有特性，凝點是根據(jù)非晶體的石油產(chǎn)品而提出的特定概念；冰點是通行的用來衡量導(dǎo)熱介質(zhì)防凍性能的指標，其實質(zhì)是一個標準大氣壓（101.325KPa）時導(dǎo)熱介質(zhì)的凝固點。以上概念必須廓清，以免誤用誤判，給廣大用戶造成不可估量的損失。（濟南鼎隆化工科技有限公司  田勝軍   李 剛）