凍干基礎：三相點

早期的時候是沒有凍干這個技術的，凍干技術的產生起源于三相點的原理。

要凍干的物質中含量zui多的是水，因此我們研究的出發點從水開始。

在三相點，水存在三種狀態，即固體狀態的水也就是冰，液體狀態的水，也就是液體水，氣體狀態的水，也就是水蒸氣。這三種狀態對應的就是物質的三種狀態即固相、液相、氣相。三種狀態之間是會相互轉化的。一般來講從固態變液態、液態變氣態、固態直接變成氣態的過程是從分 子排列密、相互作用力大的狀態，變為分子排列疏、作用力小的狀態，這一過程要從外界收取熱量。而相反的過程則向外界放出熱量。 如下圖所示：三種狀態可以相互轉化，對應的不同過程分別是升華、凝華、液化、汽化、凝固、熔化。

液體水的蒸發速度隨著溫度的升高增快，在100°C時達到zui快，這時就會發生沸騰現象。只要是在正常海拔的開放環境中，不管外界溫度多高，水的溫度都不會超過100°C。它會在這個溫度下持續沸騰，直到全部轉變成水蒸氣為止，所以100°C也被稱為水的沸點，也就是對應大氣壓下水的沸點是100℃。而這說的是開放的環境，也就是在標準大氣壓下。而如果海拔很高，氣壓就會遍地，水的沸點也會降低。而如果是密閉的環境，水變成水蒸氣以后跑不出去，就會造成空間內的氣壓越來越高，這也會導致水的沸點發生變化。用高壓鍋煮東西，用的就是這個原理。既然沸點會隨著氣壓變化，把不同氣壓下的沸點都標出來，便可以得到一條曲線，這就是水的液相和氣相之間相互轉化的臨界曲線。

同樣的道理，不僅沸點會受氣壓影響，熔點（凝固點）和升華點（凝華點）也會受到壓強影響，也可以畫出類似的曲線。把沸點曲線、熔點曲線、升華點曲線畫在一張圖上，便得到了物質的三相圖。

縱坐標是壓強，橫坐標是溫度。圖中黃色部分是固態的冰，紫色部分是液態的水，青綠色部分是氣態的水蒸氣。它們交界處的曲線，①是熔點/凝固點隨壓強變化的固-液相變曲線，②是沸騰點隨壓強變化的液-氣相變曲線，③是表示升華點/凝華點隨壓強變化的固-氣相變曲線。三條線交匯的點，這叫做物質的“三相點”。對于水來說，它的三相點處于溫度=0.01°C、氣壓=0.61Kpa的位置。在這個特定的環境條件下，不僅同時存在冰、水、水蒸氣三種狀態，還能觀察到水沸騰。

在三相點，可以同時看到水的三種狀態。從這三相點圖上就可以理解凍干了。

為了除掉水，先把溶液凍起來，然后通過抽掉空氣、降低氣壓的方法，讓凍結溶液中的水升華出來。這種做法乍一看似乎不可思議，但是結合水的三相圖來看，其實不難理解。在-20°C的密閉環境中放置冰塊，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（③），冰便會通過升華作用轉變為水蒸氣散逸出去。這種先冷凍、再通過升華去除水分的方式，就叫做冷凍干燥，簡稱“凍干”。這就是凍干也就是真空冷凍干燥技術的起源原理了。而這里說的真空是因為三相點低于大氣壓的這種狀態，其實就是低的水蒸氣分壓狀態下進行的升華。