Жидкий азот - Liquid nitrogen
Жидкий азот - LN 2 - азот в жидком состоянии при низкой температуре. Жидкий азот имеет температуру кипения около -195,8 ° C (-320 ° F; 77 K). Он производится промышленным способом фракционной перегонки из жидкого воздуха . Это бесцветная жидкость с низкой вязкостью, широко используемая в качестве охлаждающей жидкости.
Физические свойства
Двухатомный характер молекулы N 2 сохраняется после разжижения . Слабое ван-дер-ваальсово взаимодействие между молекулами N 2 приводит к слабому межатомному взаимодействию, что проявляется в его очень низкой температуре кипения .
Температуру жидкого азота можно легко снизить до точки его замерзания -210 ° C (-346 ° F; 63 K), поместив его в вакуумную камеру, откачиваемую вакуумным насосом . Эффективность жидкого азота в качестве хладагента ограничена тем фактом, что он сразу закипает при контакте с более теплым объектом, окутывая объект изолирующим слоем пузырьков газообразного азота. Этот эффект, известный как эффект Лейденфроста , возникает, когда любая жидкость соприкасается с поверхностью, температура которой значительно превышает температуру ее кипения. Более быстрое охлаждение можно получить, погрузив объект в слякоть из жидкого и твердого азота, а не только за счет жидкого азота.
Умение обращаться
Поскольку это криогенная жидкость, которая быстро замораживает живую ткань, обращение с ней и хранение требует теплоизоляции . Его можно хранить и транспортировать в термосах , поддерживая постоянную температуру 77 К за счет медленного кипения жидкости. В зависимости от размера и конструкции время выдержки термосов составляет от нескольких часов до нескольких недель. Разработка герметичных сверхизолированных вакуумных сосудов позволила хранить и транспортировать жидкий азот в течение более длительных периодов времени с уменьшением потерь до 2% в день или меньше.
Использует
Жидкий азот - это компактный и легко транспортируемый источник сухого газообразного азота, так как он не требует повышения давления. Кроме того, его способность поддерживать температуру намного ниже точки замерзания воды делает его чрезвычайно полезным в широком диапазоне применений, в первую очередь в качестве хладагента открытого цикла , включая:
- в криотерапии для удаления неприглядных или потенциально злокачественных кожных образований, таких как бородавки и актинический кератоз
- хранить клетки при низкой температуре для лабораторных работ
- в криогенике
- в cryophorus , чтобы продемонстрировать быстрое замораживание путем испарения
- в качестве резервного источника азота в противопожарных системах с пониженным содержанием кислорода
- в качестве источника очень сухой азот газа
- для погружения, замораживания и транспортировки пищевых продуктов
- для криоконсервации в крови , репродуктивные клетки ( сперма и яйцо ), а также другие биологические образцы и материалы
- для сохранения образцов тканей от хирургических иссечений для будущих исследований
- для облегчения криоконсервации генетических ресурсов животных
- замораживать водопроводные и маслопроводы для работы на них в ситуациях, когда нет клапана, блокирующего поток жидкости в рабочую зону; этот метод известен как криогенная изоляция
- для крионирования в надежде на реанимацию в будущем
- для термоусадки деталей машин вместе
- как охлаждающая жидкость
- для камер CCD в астрономии
- для высокотемпературного сверхпроводника до температуры, достаточной для достижения сверхпроводимости
- для поддержания низкой температуры вокруг первичной системы охлаждения жидким гелием сильнопольных сверхпроводящих магнитов, используемых, например, в спектрометрах ядерного магнитного резонанса и системах магнитно-резонансной томографии
- для ловушек с вакуумными насосами и в процессах контролируемого испарения в химии
- как компонент охлаждающих ванн, используемых для очень низкотемпературных реакций в химии
- для повышения чувствительности инфракрасных головок самонаведения ракет типа Стрела 3
- для временной усадки механических компонентов во время сборки машины и обеспечения улучшенной посадки с натягом
- для компьютеров и экстремального разгона
- для моделирования космического фона в вакуумной камере при тепловых испытаниях КА
- при приготовлении пищи, например, для приготовления сверхгладкого мороженого . См. Также молекулярную гастрономию .
- при инертизации контейнера и повышении давления путем впрыска контролируемого количества жидкого азота непосредственно перед герметизацией или укупоркой
- как косметическая новинка, придающая напиткам дымный, пузырящийся «эффект котла». См. Коктейль с жидким азотом .
- как носитель энергии
- в заморозке клеймение крупного рогатого скота
Кулинарный
Использование жидкого азота в кулинарии упоминается в книге рецептов 1890 года под названием Fancy Ices за авторством г-жи Агнес Маршалл , но в последнее время он использовался в ресторанах для приготовления замороженных десертов, таких как мороженое, которое можно приготовить в домашних условиях. моменты за столом из-за скорости, с которой он охлаждает пищу. Быстрое охлаждение также приводит к образованию более мелких кристаллов льда, что придает десерту более гладкую текстуру. Эту технику использует шеф-повар Хестон Блюменталь, который использовал ее в своем ресторане The Fat Duck для создания замороженных блюд, таких как мороженое из яиц и бекона. Жидкий азот также стал популярным при приготовлении коктейлей, поскольку его можно использовать для быстрого охлаждения стаканов или замораживания ингредиентов. Его также добавляют в напитки для создания эффекта дыма, который возникает, когда крошечные капельки жидкого азота контактируют с окружающим воздухом, конденсируя естественный пар.
Источник
Впервые азот был сжижен в Ягеллонском университете 15 апреля 1883 года польскими физиками Зигмунтом Врублевским и Каролем Ольшевским .
Безопасность
Поскольку коэффициент расширения жидкого азота составляет 1: 694 при 20 ° C (68 ° F), при испарении жидкого азота в замкнутом пространстве может возникнуть огромная сила. Во время инцидента 12 января 2006 года в Техасском университете A&M устройства для сброса давления в резервуаре с жидким азотом вышли из строя и позже были закрыты. В результате последующего повышения давления резервуар катастрофически вышел из строя. Сила взрыва была достаточной, чтобы протолкнуть резервуар через перекрытие непосредственно над ним, разрушить железобетонную балку непосредственно под ним и оторвать стены лаборатории на 0,1–0,2 м от фундамента.
Из-за чрезвычайно низкой температуры неосторожное обращение с жидким азотом и любыми охлаждаемыми им предметами может привести к холодным ожогам . В этом случае при работе следует использовать специальные перчатки. Тем не менее, небольшой всплеск или даже проливная кожа не сгорит сразу из-за эффекта Лейденфроста , испаряющийся газ в некоторой степени теплоизолирует, как очень короткое прикосновение к горячему элементу влажным пальцем. Если жидкий азот соберется где-нибудь, он сильно загорится.
Когда жидкий азот испаряется, он снижает концентрацию кислорода в воздухе и может действовать как удушающее средство , особенно в замкнутых пространствах . Азот не имеет запаха, цвета и вкуса и может вызвать асфиксию без каких-либо ощущений или предварительного предупреждения.
Датчики кислорода иногда используются в качестве меры предосторожности при работе с жидким азотом, чтобы предупредить рабочих о разливе газа в замкнутом пространстве.
Сосуды, содержащие жидкий азот, могут конденсировать кислород из воздуха. Жидкость в таком сосуде становится все более обогащенной кислородом (точка кипения 90 K; −183 ° C; −298 ° F) по мере испарения азота, что может вызвать сильное окисление органического материала.
Проглатывание жидкого азота может вызвать серьезные внутренние повреждения из-за замерзания тканей, которые контактируют с ним, и из-за объема газообразного азота, выделяемого при нагревании жидкости теплом тела. В 1997 году студент-физик, продемонстрировавший эффект Лейденфроста, удерживая жидкий азот во рту, случайно проглотил вещество, что привело к травмам, почти смертельным. По всей видимости, это был первый случай употребления жидкого азота в медицинской литературе. В 2012 году молодой женщине из Англии удалили живот после того, как она проглотила коктейль с жидким азотом. В январе 2021 года произошел разрыв трубопровода с жидким азотом на птицеперерабатывающем предприятии в американском штате Джорджия, в результате чего шесть человек погибли и 11 получили ранения.
Производство
Жидкий азот получают из коммерчески криогенной перегонки из сжиженного воздуха или из сжижения чистого азота , полученного из воздуха с помощью адсорбции при переменном давлении . Воздушный компрессор используются для сжатия отфильтрованного воздуха высокого давления; газ под высоким давлением снова охлаждается до температуры окружающей среды и расширяется до низкого давления. Расширяющийся воздух сильно охлаждается ( эффект Джоуля-Томсона ), а кислород, азот и аргон разделяются дальнейшими стадиями расширения и дистилляции. Используя этот принцип, легко добиться мелкосерийного производства жидкого азота. Жидкий азот может производиться для прямой продажи или как побочный продукт производства жидкого кислорода, используемого в промышленных процессах, таких как производство стали . Заводы по производству жидкого воздуха, производящие порядка тонн продукции в день, начали строиться в 1930-х годах, но стали широко распространяться после Второй мировой войны; крупный современный завод может производить 3000 тонн жидких воздушных продуктов в сутки.
Смотрите также
- Сжижение газов
- Промышленный газ
- Компьютерное охлаждение
- Криогенная азотная установка
- Двигатель на жидком азоте