低温三维微量热仪（DMC-196）：冰熔融过程的测定

冰的熔融是典型的低温相变过程，指冰在一定温度条件下吸收热量转化为水的物理变化，其相变过程的热效应、温度特征等参数的精准监测，在气象、环境科学、食品冷藏、低温材料、新能源等多个领域具有重要应用价值。例如，在食品冷链运输中，冰的熔融过程数据可用于优化冷藏方案、计算保冷时间；在低温材料研发中，可为相变储能材料的性能优化提供参考依据。

传统冰熔融测定方法（如差示扫描量热法）在低温环境下易受温度波动、热传导损耗等因素影响，存在测定精度不足、控温难度大等问题。低温三维微量热仪基于经典的卡尔维（Calvet）量热原理，采用高精度三维热电堆传感器，结合液氮高效冷却，可在低温条件下实现精准控温与热效应捕捉，为冰熔融过程的精细表征提供了理想的技术方案。

图1 中科热仪DMC-196型低温双模式三维微量热仪（-196℃~200℃）

本实验采用中科热仪的DMC-196型低温双模式三维微量热仪，是一种以高精度三维热电堆为传感器的热流型微量热仪，配备高效的液氮冷却系统，可以在宽阔的温度范围内准确地反映源自样品本身物化性质或环境相互作用产生的热效应。

仪器的核心优势：

• 有效的加热及冷却系统，同时满足温度扫描（DSC模式）及恒温（IMC模式）实验；

• 大样品室容积，最高达12.5mL；

• 多功能反应样品池支持搅拌、定量加样，模拟固-液、液-液混合及润湿溶解、气体吸附等多种反应过程；

• 高压功能支持达350bar的精准调控，并实时原位监测样品在分解、吸脱附等过程中的压力动态变化；

• 加压模式针对样品池，保持常压状态，保护灵敏度，缩小高压区，增强实验安全；

• 和各种高压及常压商业化气体吸附仪联用，实现吸附量-吸附热同步测定；

• 高度集成化设计，工程控制软件可实现一键实现真空干燥、惰性气体填充及环境精准调控；

• 可以按照实际需求定制样品池及其他附件，拓展边界。

1.实验条件

测试仪器：中科热仪DMC-196型低温双模式三维微量热仪

实验样品：去离子水（经快速冷却形成的冰）

样品质量：0.52g

温控设置：-25℃~10℃，0.1℃/min

2.实验结果

图2 冰的熔融曲线

冰的升温过程中经历了从固态到液态的相变转变。DMC-196型低温三维微量热仪记录的热流曲线清晰地呈现了这一相变过程：在升温初期（-20℃至约-5℃），热流曲线基本保持平直，仅有极小的基线漂移，表明此阶段冰样品以固体形态存在。当温度升高至约-3℃时，热流曲线出现明显的吸热趋势，表明冰熔融过程的开始。

冰熔融吸热峰的起始温度（外推起始点-0.3℃）低于纯水冰的理论熔点（0℃），这是由于在较低升温速率下，冰产生预熔融的现象¹（其表面形成一层类液态薄膜）。随着温度继续升高，热流曲线快速下降，形成一个尖锐的吸热峰，峰值温度约为2.0℃。最后，热流曲线逐渐回升至基线，熔融过程完成。对该吸热峰进行积分，得到冰的熔融焓为340.98 J/g。标准状态下冰的熔融焓为333.5 J/g,与低于-80℃的极速冷却下形成的冰相比，晶型存在差异，测定的熔融焓略高于标准值。