Жидкий азот — LN 2 — представляет собой азот в жидком состоянии при низкой температуре. Жидкий азот имеет температуру кипения около -196 ° C (-321 ° F; 77 К). Его производят в промышленных масштабах путем фракционной перегонки жидкого воздуха . Это бесцветная подвижная жидкость , вязкость которой составляет примерно одну десятую вязкости ацетона . Жидкий азот широко используется в качестве теплоносителя .
Двухатомность молекулы N 2 сохраняется и после сжижения . Слабое ван-дер-ваальсово взаимодействие между молекулами N 2 приводит к небольшому межатомному притяжению. Это причина необычно низкой температуры кипения азота . [1]
Температуру жидкого азота можно легко снизить до точки замерзания -210 ° C (-346 ° F; 63 К), поместив его в вакуумную камеру, накачиваемую вакуумным насосом . [2] Эффективность жидкого азота в качестве хладагента ограничена тем фактом, что он сразу же закипает при контакте с более теплым объектом, окутывая объект изолирующим слоем пузырьков азота. Этот эффект, известный как эффект Лейденфроста , возникает, когда любая жидкость вступает в контакт с поверхностью, температура которой значительно превышает температуру ее кипения. Более быстрое охлаждение можно получить, погрузив объект в смесь жидкого и твердого азота , а не только в жидкий азот. [2]
Поскольку криогенная жидкость быстро замораживает живые ткани, обращение с ней и ее хранение требуют теплоизоляции . Его можно хранить и транспортировать в вакуумных колбах , при этом температура поддерживается постоянной на уровне 77 К за счет медленного кипения жидкости. В зависимости от размера и конструкции время выдержки термосов колеблется от нескольких часов до нескольких недель. Разработка сверхизолированных вакуумных сосудов под давлением позволила хранить и транспортировать жидкий азот в течение более длительных периодов времени, сократив потери до 2% в день или меньше. [3]
Жидкий азот является компактным и легко транспортируемым источником сухого газообразного азота, поскольку не требует создания давления. Кроме того, его способность поддерживать температуру намного ниже точки замерзания воды делает его чрезвычайно полезным в широком спектре применений, в первую очередь в качестве хладагента открытого цикла , в том числе:
Кулинарное использование жидкого азота упоминается в книге рецептов 1890 года под названием Fancy Ices , автором которой является Агнес Маршалл [14], но в последнее время оно стало использоваться ресторанами при приготовлении замороженных десертов, таких как мороженое, которое можно приготовить за считанные секунды за столом из-за скорости, с которой еда охлаждается. [14] Быстрота охлаждения также приводит к образованию более мелких кристаллов льда, что придает десерту более гладкую текстуру. [14] Эту технику использует шеф-повар Хестон Блюменталь , который использовал ее в своем ресторане The Fat Duck для создания замороженных блюд, таких как мороженое с яйцом и беконом. [14] [15] Жидкий азот также стал популярен при приготовлении коктейлей , поскольку его можно использовать для быстрого охлаждения стаканов или замораживания ингредиентов. [16] Его также добавляют в напитки для создания дымного эффекта, который возникает, когда крошечные капли жидкого азота вступают в контакт с окружающим воздухом, конденсируя пар, который присутствует естественным образом. [16]
Азот был впервые сжижен в Ягеллонском университете 15 апреля 1883 года польскими физиками Зигмунтом Врублевским и Каролем Ольшевским . [17]
Поскольку коэффициент расширения азота из жидкости в газ составляет 1:694 при 20 ° C (68 ° F), при испарении жидкого азота в замкнутом пространстве может возникнуть огромная сила. Во время инцидента, произошедшего 12 января 2006 года в Техасском университете A&M , устройства сброса давления в резервуаре с жидким азотом вышли из строя и позже были опломбированы. В результате последующего повышения давления резервуар катастрофически вышел из строя. Силы взрыва было достаточно, чтобы пробить резервуар через потолок непосредственно над ним, разрушить железобетонную балку непосредственно под ним и снести стены лаборатории на высоту 0,1–0,2 м от фундамента. [18]
Из-за чрезвычайно низкой температуры неосторожное обращение с жидким азотом и любыми охлаждаемыми им предметами может привести к ожогам . В этом случае при работе следует использовать специальные перчатки. Однако небольшой брызг или даже попадание на кожу не вызовет немедленного ожога из-за эффекта Лейденфроста : испаряющийся газ в некоторой степени теплоизолирует, как если бы вы очень кратко коснулись горячего элемента мокрым пальцем. Если жидкий азот скапливается где-нибудь, он сильно горит.
Испаряясь, жидкий азот снижает концентрацию кислорода в воздухе и может действовать как удушающий газ , особенно в замкнутых пространствах . Азот не имеет запаха, цвета и вкуса и может вызвать асфиксию без каких-либо ощущений или предварительного предупреждения. [19] [20] [21]
Датчики кислорода иногда используются в качестве меры предосторожности при работе с жидким азотом, чтобы предупредить рабочих о разливах газа в замкнутом пространстве. [22]
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 бурное окисление органического материала. [23]
Проглатывание жидкого азота может вызвать серьезные внутренние повреждения из-за замерзания тканей, которые с ним контактируют, а также из-за объема газообразного азота, выделяющегося при нагревании жидкости под действием тепла тела. В 1997 году студент-физик, демонстрировавший эффект Лейденфроста, держа жидкий азот во рту, случайно проглотил это вещество, что привело к почти смертельным травмам. По-видимому, это был первый в медицинской литературе случай проглатывания жидкого азота. [24] В 2012 году молодой женщине в Англии удалили желудок после того, как она приняла коктейль из жидкого азота. [25] В январе 2021 года на птицеперерабатывающем заводе в американском штате Джорджия произошел разрыв линии подачи жидкого азота, в результате чего шесть человек погибли и еще 11 получили ранения. [26]
Жидкий азот в промышленных масштабах производится путем криогенной перегонки сжиженного воздуха или сжижения чистого азота, полученного из воздуха, с использованием адсорбции при переменном давлении . Воздушный компрессор используется для сжатия фильтрованного воздуха до высокого давления; газ высокого давления охлаждается обратно до температуры окружающей среды и ему дают возможность расшириться до низкого давления. Расширяющийся воздух сильно охлаждается ( эффект Джоуля-Томсона ), а кислород, азот и аргон разделяются на дальнейших стадиях расширения и дистилляции. Используя этот принцип, легко добиться мелкомасштабного производства жидкого азота. [ нужна цитация ] Жидкий азот может производиться для прямой продажи или в качестве побочного продукта 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 получили широкое распространение после Второй мировой войны; крупный современный завод может производить 3000 тонн/день жидких воздушных продуктов. [27]