Жидкий азот ( LN 2 ) — это азот в жидком состоянии при низкой температуре . Жидкий азот имеет температуру кипения около −196 °C (−321 °F; 77 K). В промышленности его получают путем фракционной перегонки жидкого воздуха . Это бесцветная, подвижная жидкость , вязкость которой составляет около одной десятой вязкости ацетона (т.е. примерно одну тридцатую вязкости воды при комнатной температуре ). Жидкий азот широко используется в качестве хладагента .
Двухатомный характер молекулы N 2 сохраняется после сжижения . Слабое взаимодействие Ван-дер-Ваальса между молекулами N 2 приводит к небольшому межатомному притяжению. Это является причиной необычно низкой температуры кипения азота . [1]
Температуру жидкого азота можно легко понизить до точки замерзания -210 °C (-346 °F; 63 K), поместив его в вакуумную камеру, откачиваемую вакуумным насосом . [2] Эффективность жидкого азота как хладагента ограничена тем фактом, что он немедленно закипает при контакте с более теплым объектом, окутывая объект изолирующим слоем пузырьков азота. Этот эффект, известный как эффект Лейденфроста , возникает, когда любая жидкость соприкасается с поверхностью, которая значительно горячее ее точки кипения. Более быстрое охлаждение может быть получено, если погрузить объект в кашу из жидкого и твердого азота , а не только в жидкий азот. [2]
Как криогенная жидкость, которая быстро замораживает живую ткань, ее обработка и хранение требуют теплоизоляции . Ее можно хранить и транспортировать в вакуумных колбах , при этом температура поддерживается на постоянном уровне 77 К путем медленного кипения жидкости. В зависимости от размера и конструкции время выдержки в вакуумных колбах 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 потерями, сниженными до 2 процентов в день или менее. [3]
Жидкий азот является компактным и легко транспортируемым источником сухого азотного газа, так как он не требует давления. Кроме того, его способность поддерживать температуру намного ниже точки замерзания воды, удельная теплоемкость 1040 Дж ⋅кг -1 ⋅К -1 и теплота испарения 200 кДж ⋅кг -1 делает его чрезвычайно полезным в широком спектре применений, в первую очередь в качестве хладагента открытого цикла , включая:
Кулинарное использование жидкого азота упоминается в кулинарной книге 1890 года под названием Fancy Ices , автором которой является Агнес Маршалл [14], но в последнее время он применяется в ресторанах для приготовления замороженных десертов, таких как мороженое, которое можно приготовить за считанные минуты за столом из-за скорости, с которой оно охлаждает еду. [14] Быстрота охлаждения также приводит к образованию более мелких кристаллов льда, что придает десерту более гладкую текстуру. [14] Этот метод использует шеф-повар Хестон Блюменталь , который использовал его в своем ресторане The Fat Duck для создания замороженных блюд, таких как мороженое с яйцом и беконом. [14] [15] Жидкий азот также стал популярным при приготовлении коктейлей , поскольку его можно использовать для быстрого охлаждения стаканов или замораживания ингредиентов. [16] Его также добавляют в напитки для создания дымчатого эффекта, который возникает, когда крошечные капельки жидкого азота вступают в контакт с окружающим воздухом, конденсируя пар, который естественным образом присутствует. [16]
Азот был впервые сжижен в Ягеллонском университете 15 апреля 1883 года польскими физиками Зигмунтом Врублевским и Каролем Ольшевским . [17]
Поскольку отношение расширения жидкости к газу у азота составляет 1:694 при 20 °C (68 °F), при испарении жидкого азота в замкнутом пространстве может возникнуть огромная сила. В инциденте 12 января 2006 года в Техасском университете A&M устройства сброса давления резервуара с жидким азотом вышли из строя и позже были запечатаны. В результате последующего повышения давления резервуар катастрофически вышел из строя. Сила взрыва была достаточной, чтобы протолкнуть резервуар через потолок непосредственно над ним, разбить железобетонную балку непосредственно под ним и снести стены лаборатории на 0,1–0,2 м от их фундамента. [18] В январе 2021 года на птицеперерабатывающем заводе в американском штате Джорджия произошел разрыв линии, по которой транспортировался жидкий азот, в результате чего погибли шесть человек и 11 получили ранения. [19]
Из-за его чрезвычайно низкой температуры неосторожное обращение с жидким азотом и любыми предметами, охлажденными им, может привести к холодовым ожогам . В этом случае при работе следует использовать специальные перчатки. Однако небольшое брызгание или даже попадание на кожу не вызовет немедленного ожога из-за эффекта Лейденфроста , испаряющийся газ в некоторой степени теплоизолирует, как если бы вы очень коротко коснулись горячего элемента мокрым пальцем. Если жидкий азот успеет где-то скопиться, он сильно обожжется.
При испарении жидкого азота концентрация кислорода в воздухе снижается , и он может действовать как удушающее вещество , особенно в замкнутых пространствах . Азот не имеет запаха, цвета и вкуса и может вызывать удушье без каких-либо ощущений или предварительного предупреждения. [20] [21] [22]
Датчики кислорода иногда используются в качестве меры предосторожности при работе с жидким азотом, чтобы предупредить рабочих о утечке газа в замкнутом пространстве. [23]
Сосуды, содержащие жидкий азот, могут конденсировать кислород из воздуха. Жидкость в таком сосуде становится все более обогащенной кислородом (температура кипения 90 К; −183 °C; −298 °F) по мере испарения азота, и может вызвать сильное окисление органического материала. [24]
Проглатывание жидкого азота может вызвать серьезные внутренние повреждения из-за замерзания тканей, которые контактируют с ним, и объема газообразного азота, выделяющегося при нагревании жидкости теплом тела. В 1997 году студент-физик, демонстрирующий эффект Лейденфроста, держа жидкий азот во рту, случайно проглотил вещество, что привело к почти смертельным травмам. Это, по-видимому, первый случай в медицинской литературе проглатывания жидкого азота. [25] В 2012 году молодой женщине в Англии удалили желудок после того, как она проглотила коктейль, приготовленный с жидким азотом. [26]
Жидкий азот производится в коммерческих целях путем криогенной перегонки сжиженного воздуха или путем сжижения чистого азота, полученного из воздуха с использованием адсорбции с переменным давлением . Воздушный компрессор используется для сжатия отфильтрованного воздуха до высокого давления; газ высокого давления охлаждается до температуры окружающей среды и расширяется до низкого давления. Расширяющийся воздух сильно охлаждается ( эффект Джоуля-Томсона ), а кислород, азот и аргон разделяются на дальнейших этапах расширения и перегонки. Мелкомасштабное производство жидкого азота легко достигается с использованием этого принципа. [ необходима цитата ] Жидкий азот может производиться для прямой продажи или как побочный продукт производства жидкого кислорода, используемого для промышленных процессов, таких как сталеплавильное производство . Заводы по производству жидкого воздуха, производящие порядка тонн продукции в день, начали строиться в 1930-х годах, но стали очень распространенными после Второй мировой войны; крупный современный завод может производить 3000 тонн/день продуктов из жидкого воздуха. [27]