水三相点对于确保全球温度测量的准确度至关重要。该自然现象为科学标准提供依据，对于当今各行各业的计量学家来说都是不可或缺的。其精确和可重复性质确保校准的全球一致性，使其成为技术创新和科学发现的关键驱动力。
在本文中，我们将讨论什么是三相点，什么是水三相点，其重要性，及其如何有利于温度测量和校准工作。
什么是物质的三相点？
每一种物质，无论是水、氮、锌等，都有相态图——一种物质以各种状态(固态、液态、气态)存在的图形表示，以及由温度和压力变化引起的物质状态之间的转变。
在相态图中，状态之间的转变用不同的曲线表示。三相点是相变曲线相交之处，标志着所有三相同时存在时的唯一温度和压力条件。以下为指示三相点的相态图示例(非任何特定物质)
换句话说，物质的三相点是温度和压力的特定组合，在该状态下，物质的三种状态——固态、液态和气态——在热力学平衡中共存。
该情况是由物质的物理和化学性质决定的，这使得每种材料的三相点都是独一无二的。例如，二氧化碳的三相点发生在-56.6 °C和5.1个标准大气压(atm)下。同时，氖的三相点出现在-248.59 °C和0.428个标准大气压(atm)下。许多物质都具有三相点温度或压力，但作为温度参考并不十分实用。然而，氩和汞都有三相点，专家们用其作为测量参考标准；氩的三相点为-189.344 °C和0.680 atm，汞的三相点为-38.834 °C和1.63×10−9 atm。
什么是水三相点？
水三相点出现时的温度为0.01 °C，压力为0.00603659 atm，即水在该温度下的蒸汽压。在该温度和压力的交点处，水分子表现出一种独特的平衡，它们同时以固态冰、液态水和水蒸汽的形式存在。
在水的相态图中，三相点是三条曲线的交点，表示以下两种状态之间的过渡：
- 冰和液态水(融化/冻结)。
- 液态水和蒸汽(蒸发/冷凝)。
- 冰和蒸汽(升华/凝华)。
该交叉点是热力学中最重要和最精确定义的基准之一。事实上，水三相点在温度定义和实际温度测量应用中都是一个重要的参考点。这是因为水本身很容易获得，重现水三相点也相对容易，而水的三相点温度是温标上冷热温度的合理分界点。
1954年，国际度量衡大会(CGPM)正式将开尔文(K)纳入至国际单位制(SI)，将水的三相点温度定义为273.16 K。CGPM还将开尔文单位本身定义为水三相点的1/273.16th。这一决议为温度测量设定了一个通用标准，这个自然常数在六十多年的时间里一直是计量学永恒的锚。
然而，2019年，国际科学界采用了开尔文的新定义，从基于水三相点的定义转变为基于玻尔兹曼常数的新定义，这一举动将温度更直接地与基础物理学联系起来。
虽然水三相点不再是开尔文的正式的定义基础，但其遗留仍然存在。校准实验室继续使用水三相点容器及其他定固定点容器进行精确的温度校准。
三相点的实现和三相点容器
水的三相点在自然界中(即使有)很少存在。为了使水达到三相点，用户依赖三相点实现过程，该过程创造条件，使水的所有三个相态(固态、液态和汽态)都存在。该过程发生在一个叫做三相点瓶的特殊装置中，通常是一个密闭的玻璃容器，里面装有纯净的无氧水。用户将该容器冷却到0 °C左右，然后将碎干冰或冷却装置，如Fluke Quick stick TPW快速冻制器 插入至容器的内孔(称为插筒)，以形成一层冰层。
校准实验室使用三相点容器，如Fluke 5901水三相点瓶，以维持实现三相点所需的条件。
三相点容器必须精心制造，以确保用户有合适的条件进行精确的温度测量。考虑事项包括：
- 同位素组成： 标准水三相点容器使用的水符合国际度量衡局(BIPM)对水三相点的定义，要求水具有特定的同位素组成。例如，水的同位素组成(如氘含量)的变化，有可能轻微地改变三相点温度。
- 水的纯度：即使是微小的杂质也能改变达到正确的水三相点所需的条件。水中典型的杂质，如钠、氧和氮，即使杂质水平在百万分之一(ppm)下，也会导致三相点温度误差。
为什么水三相点对校准很重要？
水三相点在校准和温度测量中具有巨大作用，并且存在许多应用场景。水三相点及其他三相点容器在校准中的一些最常见应用包括：
- 温度校准：水三相点及其他固定点容器是校准温度计的黄金标准，包括标准铂电阻温度计(SPRT)。
- 仪器验证：计量人员通过在实验室中使用水三相点容器，利用水三相点容器对参考温度计进行常规检查以确保其准确度。这样做有助于计量人员确保数字传感器和高精度温度探头的后续校准是可靠的。
- 实现低不确定度：水三相点容器可实现低至0.0001 °C的测量不确定度，使其在需要可靠、高精度温度测量的行业中不可或缺，如航空航天，制药和先进制造业。
上述一般应用在许多行业中都非常有用。下面是一些示例：
- 航空航天：工程师使用水三相点及其他基于固定点容器的校准来确保航天器材料在极端温度条件下保持性能并发挥作用。
- 制药业：在药物配制过程中，精确的温度监测依赖于水三相点验证和固定点校准，以避免代价不菲的偏差。
- 低温：在温度接近绝对零度的低温研究中，水三相点可作为校准仪器的基线。其低不确定度确保在上述极端条件下实现精确测量。
常见问题(FAQ)：了解水三相点
与其他物质相比，水的三相点有什么独特之处？
水的固定三相点具有若干特性，使其成为独特的温度固定点。其复现性、稳定性、可用性并且位置接近温标中心点，这些都是专家和科学家至今仍然依赖其进行校准的原因；专家使用它作为温标的定义点，定义SI温度单位(开尔文)，并作为校准实验室的实用温度点。
实验室中如何保持水三相点？
为了对某些测量设备进行恰当校准，在实验室中，科学家们使用水三相点固定点容器来实现水的三相点。科学家和专家们将三相点容器保存在校准用液体恒温槽内，或者简单地保存在装有碎冰和水的隔热容器内，以保持水三相点发生所需的条件。其中有些维持装置一次即可将水三相点(TPW)容器保持在三相点状态数周甚至数月。其他装置可能很快达到三相点，但只能维持该状态几小时。
为什么水的三相点略高于0 °C？
0.01 °C是水的三种状态同时存在时的温度。0 °C是水在标准海平面压力(1 atm)下的熔点。
水三相点不仅是科学上的奇迹，也是温度校准和测量的实际需要。其精确且可复现的条件确保了从制药到航空航天工程等行业温度测量的准确度。
水的三相点与开尔文温标有什么关系？
直至2019年，水三相点一直是国际单位制温度单位开尔文和开尔文温标的基础。2019年，国际科学界将开尔文的定义从等于水三相点改为等于玻尔兹曼常数。
尽管开尔文的定义最近发生了变化，但水三相点的精确度和复现性仍然使其成为可靠的参考标准。借助水三相点瓶等校准工具，科学家和计量学家可以仔细校准参考温度计，以确保符合国际温度定义和标准，并确保可靠和高质量的温度测量。
关于水三相点，有哪些常见误解？
一个常见误解是，三相点可以在日常条件下实现。实际上，水三相点需要非常特定的压力和0.01 °C温度，这种条件在受控的实验室环境之外通常不存在。
另一个误解关于所需的水的纯度。三相点严格适用于具有标准同位素组成的纯水。杂质或同位素比例的变化，如氘含量增加，会改变三相点温度。这就是为什么三相点容器需要精心构建以消除污染物并确保同位素一致性。
最后，有些人认为三相点仅适用于水。众所周知，三相点与水相关，但每种物质都有自己的三相点——尽管水的独特性质使其三相点在计量学和热力学中尤为重要。
除了校准以外，为什么水的三相点对工业应用也很重要？
虽然校准仍然是水三相点的主要应用，但其重要性也延伸到了精确相变至关重要的行业。
例如，在低温领域，三相点可以作为参考温度，帮助科学家在极低温度下研究材料和工艺。其稳定性和复现性有助于研究人员在高度敏感的实验中获得可靠结果。
在制药领域，用水三相点容器来验证和检查温度计是冷冻干燥过程中不可或缺的一部分，冷冻干燥是一种用于保存药物和生物材料的过程。通过精确控制温度和压力，制造商确保水从冰直接转变为蒸汽，而不经历液相，以保持产品的结构完整性。
航空航天工业也依赖于基于三相点校准的仪器，以确保航天器组件在极端温度条件下可靠运行。上述应用印证了三相点的多种用途，超越了其在原级标准校准实验室中的基础作用。
与其他物质相比，水的三相点有什么独特之处？
水三相点是独一无二的自然标准，与其他物质相比，可以作为参考标准。让水实现正确的同位素组成和纯度水平相对容易，再加上水三相点容器和仪器，有助于使其轻松地维持在合适温度。相比之下，许多其他物质都具有三相点，但由于极端的温度或压力要求而难以复现，并且实现成本可能比水三相点容器昂贵得多。
