水基温致准固态和极化超固态的相变与能量交换测定方法技术

本发明专利技术公开了一种水基温致准固态和极化超固态的相变与能量交换测定方法。液体自然冷却温度因能量交换而偏离实验的控制温度。对两者之差与比热的乘积的延时积分等于能量交换。实测降温曲线的二阶导数拐点对应相变温度。液态和固态以及极化超固态的指数降温曲线对应H

【技术实现步骤摘要】
水基温致准固态和极化超固态的相变与能量交换测定方法


[0001]本专利技术涉及材料科学和声子谱学
，具体涉及水基溶液变温和温致相变过程中能量交换、相变温度以及温致准固态和极化超固态的诊断和测定方法。

技术介绍

[0002]水合反应和对水溶液相变温度的调控对于从生物化学到农业、气候和地质工程的各个领域都非常重要。例如，降低溶液冰点有利于低温保存生物活细胞和抗病疫苗；水合矿物的冻融循环会在水分子冻结时引起显著的体积膨胀，并在解冻后留下孔隙
‑
即岩石风化。这样的过程对水以及宿主物质的结构稳定性和性质都会产生强烈的影响，对矿物岩石造成风化侵蚀为山区公路和铁路建设造成困难。相比之下，土壤的冻融循环利于保墒促进农作物生长，提高产量。
[0003]自从霍夫梅斯特1988年建立盐水合对溶液表面应力和蛋白质溶解能力序列关系以来，关于盐水合反应机理的争论一直在持续。关键问题在于，不同浓度和种类的盐如何改变溶液的临界温度(熔点T
m
，冰点T
N
)、溶液的温致相变以及在相变过程中的能量交换。拉曼光谱测量发现，卤素离子的水合反应与水的加热效果类似，认为两者均使O:H非键解体，减少了水分子的配位数。但是不同的观点认为卤化盐溶液和升温去离子水之间的光谱差异源于第一水合壳内的局域电场，而不是氢键的重排。所以，在诸多需要考虑能量交换的领域，往往需要通过其他方式来考虑能量交换，例如，在进行生物冷冻及复活时，需要在低冰点溶液中进行，避免冰晶刺伤细胞膜，而如何选择合适的溶液，一般需要采用大量实验进行筛选，不但增加了工作量，也提升了实验成本；在超流和超导领域，对于超导磁体以及超导传感器的研究，也是通过大量实验进行材料性能的验证与筛选；在生活中，需要弱化热交换的时候，同样只能通过大量实验来调整影响热交换的条件等等，这些无异于提高了各自领域的研究工作量以及实验成本。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的上述不足，本专利技术的目的在于提供一种水基温致准固态和极化超固态的相变与能量交换测定方法，以解决现有技术无法测定不同浓度和种类的溶质如何改变溶液的临界温度(熔点T
m
，冰点T
N
)、温致相变以及相变过程中能量交换的问题。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]水基温致准固态和极化超固态的相变与能量交换测定方法，液体在程序控温条件下，因H
‑
O键的温致弛豫和与外界交换能量，使其自然冷却温度偏离控制温度；对自然冷却温度和控制温度之差与比热的时间积分测定能量交换。
[0007]具体措施：利用恒温恒湿箱控制环境温度，使去离子水和溶液分别自然冷却；分别记录他们的实测降温曲线和外控温度曲线，以确定他们的熔点T
m
和冰点T
N
；在熔点T
m
和冰点T
N
温度区间内实测降温曲线和控温曲线之差进行积分，确定纯水在冷冻相变过程中准固态H
‑
O键因冷致收缩所吸收的能量；对液态水，冰以及饱和溶液在任意温区内对溶液实测降温
曲线与控温曲线之差进行积分，即可获得H
‑
O键因冷膨胀而释放的热量。
[0008]优选地，操作过程如下：
[0009]步骤1：准备去离子水样品和不同浓度的溶液；
[0010]步骤2：对样品放入控温箱内进行降温，记录控温曲线与样品的实际降温曲线；
[0011]步骤3：实测温度曲线的二阶导数拐点对应相变温度，获得熔点T
m
和冰点T
N
；
[0012]步骤4：液态、固态或饱和溶液极化超固态的实测温度曲线因H
‑
O键冷膨胀而随时间呈指数式衰减；水的准固态QS的实测温度曲线因冷致H
‑
O键收缩吸热而在液态和固态之间呈现温度平台；
[0013]步骤5：实测温变曲线与控温曲线之差对时间的积分正比于相变过程中能量交换ΔQ：
[0014][0015]其中，式中C
v
为H
‑
O键的比热，取为常数。
[0016]优选地，所述溶液包括所有以水为介质的溶液，包括如水凝胶、溶质能够完全或部分溶于水的混合溶液。对于部分溶于水的溶质，当其部分溶于水中时，本专利技术所述方法也能够对其从液态到固态相变过程中的能量交换进行测量。
[0017]优选地，所述溶液的分子浓度C＝N
溶质
/(N
溶质
+N
水
)，N＝W/M
A
，其中，W为质量，M
A
为摩尔质量。
[0018]优选地，所述测量方法用于测量水或溶液从液态到固态转变过程中的能量交换。
[0019]与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：
[0020]通过简单的外界温度控制与溶液冷却过程中实际温度变化的记录，即可对溶液的相变温度以及温致准固态和极化超固态进行诊断，并对溶液在变温和温致相变过程中的能量交换进行测定，填补了相应技术空白。
附图说明
[0021]图1所示耦合氢键的分段比热、相变温度、温致准固态QS。
[0022]图2a为盐溶液水合单胞分辨O:H
‑
O键极化超固态的ω
L
微分声子谱图；图2b为盐溶液水合单胞分辨O:H
‑
O键极化超固态的ω
H
微分声子谱图。
[0023]图3为本专利技术所述方法用于测量去离子水和饱和氯化钠溶液在降温过程中的相变图；其中，实线为纯水和饱和氯化钠溶液自然冷却的温度延时曲线，虚线为控温曲线。
[0024]图4为通过实测温度曲线与环境温度曲线作差积分后获得溶液降温过程中能量交换ΔQ的实例。其中比热作常数处理。去离子水温致准固态段比热取冰、水比热的平均值约为3.1J/g
·
K；饱和氯化钠溶液的比热取3.2J/g
·
K。
具体实施方式
[0025]下面将结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。
[0026]如图3所示，本专利技术所述方法用于测量纯水和饱和氯化钠溶液在降温过程中的相变。
[0027]实施例1
[0028]步骤1：准备去离子水样品与饱和氯化钠溶液(盐溶液的分子浓度C＝1/10)；
[0029]步骤2：将纯水样品和饱和氯化钠溶液样品均在293K的条件下放置15min，之后对温度进行控制，使变温箱内温度在1h之内均匀降至253K，并在253K温度下保持6h，利用热电偶检测并记录这一过程中样品的实际温度变化曲线；
[0030]步骤3：液态水，冰和饱和盐溶液(极化超固态)的实测温度因H
‑
O键冷膨胀随时间呈指数式衰减；
[0031]步骤4：在液态水和冰之间的准固态QS因冷致H
‑
O键收缩吸热呈现温度平台；
[0032]步骤5：液态水本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.水基温致准固态和极化超固态的相变与能量交换测定方法，其特征在于，液体在程序控温条件下，因H
‑
O键的温致弛豫和与外界交换能量，使其自然冷却温度偏离控制温度；对自然冷却温度和控制温度之差与比热的时间积分以测定这一过程的能量交换。2.根据权利要求1所述水基温致准固态和极化超固态的相变与能量交换测定方法，其特征在于，操作过程如下：步骤1：准备去离子水样品和不同浓度的溶液；步骤2：对水样品与溶液样品进行降温控制，记录控温曲线与样品的实际温度变化曲线；步骤3：实测温度曲线的二阶导数拐点对应相变温度，获得熔点T
m
和冰点T
N
；步骤4：实测温度曲线因H
‑
O键冷膨胀而随时间呈指数式衰减，对应液态、固态或极化超固态；实测温度曲线因冷致H
‑
O键收缩吸热而在液态和固态之间呈现温度平台，则对应准固...

【专利技术属性】
技术研发人员：张娇龙，方衡鑫，周勇，孙长庆，王彪，
申请(专利权)人：东莞理工学院，
类型：发明
国别省市：