Жидкий азот - LN 2 - азот в жидком состоянии при низкой температуре (-195,79 ° C (77 K ; -320 ° F ) точка кипения на уровне моря). Он производится промышленным способом фракционной перегонки из жидкого воздуха . Это бесцветная жидкость с низкой вязкостью, широко используемая в качестве охлаждающей жидкости.
Физические свойства [ править ]
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 . [1]
Температуру жидкого азота можно легко снизить до точки замерзания 63 K (-210 ° C; -346 ° F), поместив его в вакуумную камеру, откачиваемую вакуумным насосом . [2] 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 может быть достигнуто путем погружения объекта в слякоть из жидкого и твердого азота, а не только за счет жидкого азота.
Обработка [ править ]
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. [3]
Использует [ редактировать ]
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
- сваривать термоусадочной сваркой детали машин
- как хладагент
- 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 улучшения посадки с натягом
- для компьютеров и экстремального разгона [4]
- для моделирования космического фона в вакуумной камере при тепловых испытаниях КА [5]
- при приготовлении пищи, например, для приготовления сверхгладкого мороженого . [6] См. Также молекулярная гастрономия .
- при инертизации контейнера и создании давления путем впрыска контролируемого количества жидкого азота непосредственно перед герметизацией или укупоркой [7] [8]
- как косметическая новинка, придающая напиткам дымный, пузырящийся «эффект котла». См. Коктейль с жидким азотом .
- как носитель энергии [9] [10]
- в замораживании клеймения крупного рогатого скота [11]
Кулинарное использование [ править ]
Кулинарное использование жидкого азота упоминаются в 1890 рецепте книге под названием Fancy льды автора миссис Агнес Маршалл , [12] , но был использован в более последнее время в ресторанах в приготовлении замороженных десертов, такие как мороженое, которое может создается за считанные секунды за столом из-за скорости, с которой он охлаждает пищу. [12] Быстрое охлаждение также приводит к образованию более мелких кристаллов льда, что придает десерту более гладкую текстуру. [12] Эту технику использовал шеф-повар Хестон Блюменталь, который использовал ее в своем ресторане The Fat Duck для создания замороженных блюд, таких как мороженое из яиц и бекона. [12][13] Жидкий азот также стал популярным при приготовлении коктейлей, поскольку его можно использовать для быстрого охлаждения стаканов или замораживания ингредиентов. [14] Его также добавляют в напитки для создания эффекта дыма, который возникает, когда крошечные капельки жидкого азота вступают в контакт с окружающим воздухом, конденсируя естественный пар. [14]
История [ править ]
Впервые азот был сжижен в Ягеллонском университете 15 апреля 1883 года польскими физиками Зигмунтом Врублевским и Каролем Ольшевским . [15]
Безопасность [ править ]
Поскольку коэффициент расширения жидкого азота составляет 1: 694 при 20 ° C (68 ° F), огромное количество силы может быть создано, если жидкий азот испаряется в замкнутом пространстве. 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 цистерна катастрофически вышла из строя. Сила взрыва была достаточной, чтобы протолкнуть резервуар через потолок непосредственно над ним, разрушить железобетонную балку непосредственно под ним и оторвать стены лаборатории на 0,1–0,2 м от фундамента. [16]
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. [17] [18] [19]
Датчики кислорода иногда используются в качестве меры предосторожности при работе с жидким азотом, чтобы предупредить рабочих о разливе газа в замкнутом пространстве. [20]
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. [21]
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. [22] В 2012 году молодой женщине из Англии удалили живот после того, как она проглотила коктейль с жидким азотом. [23] В январе 2021 года на птицеперерабатывающем заводе в американском штате Джорджия произошел разрыв трубопровода с жидким азотом, в результате чего шесть человек погибли и 11 получили ранения. [24]
Производство [ править ]
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. [ необходима цитата ]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. [25]
См. Также [ править ]
- Сжижение газов
- Промышленный газ
- Компьютерное охлаждение
- Криогенная азотная установка
- Двигатель на жидком азоте
Ссылки [ править ]
- ^ Henshaw, DG; Hurst, DG; Папа, Н.К. (1953). «Структура жидкого азота, кислорода и аргона по дифракции нейтронов». Физический обзор . 92 (5): 1229–1234. Bibcode : 1953PhRv ... 92.1229H . DOI : 10.1103 / PhysRev.92.1229 .
- ^ Umrath, W. (1974). «Охлаждающая ванна для быстрого замораживания в электронной микроскопии». Журнал микроскопии . 101 : 103–105. DOI : 10.1111 / j.1365-2818.1974.tb03871.x .
- ^ КНИГА ДАННЫХ по криогенным газам и оборудованию, заархивированная 17 мая 2014 г. на Wayback Machine . aspenycap.org
- ^ Уэйннер, Скотт; Ричмонд, Роберт (2003). Книга о разгоне: настройте свой компьютер, чтобы раскрыть его возможности . Пресс без крахмала. С. 44 . ISBN 1-886411-76-X.
- ^ Карам, Роберт Д. (1998). Спутниковый тепловой контроль для системных инженеров . AIAA. п. 89. ISBN 1-56347-276-7.
- ^ Жидкий азот Мороженое Рецепт , 7 марта 2006
- ^ Жидкий азот - как эффективно дозировать в архив 2013-06-16 в Wayback Machine , 19 июня 2012
- ^ Таблица дозаторов дозаторов , 19 июня 2012 г.
- ^ Harrabin, Роджер (2 октября 2012). «Жидкий воздух« дает надежду на накопление энергии » » . BBC.
- ↑ Маркхэм, Дерек (3 октября 2012 г.). «Батареи с замороженным воздухом могут хранить энергию ветра для пикового спроса» . Treehugger . Discovery Communications.
- ^ Дайер, Тед Г. (февраль 2010 г.). «Фриз-клеймение крупного рогатого скота» (PDF) . [ мертвая ссылка ]
- ^ a b c d "Кто что почему: Насколько опасен жидкий азот?" . BBC News . BBC. 9 октября 2012 . Проверено 9 октября 2012 года .
- ^ Wallop, Гарри (9 октября 2012). «Темная сторона коктейлей из жидкого азота» . Дейли телеграф . Телеграф Медиа Группа . Проверено 12 октября 2012 года .
- ^ a b Гладуэлл, Эми (9 октября 2012 г.). «Подростку удалили желудок после употребления коктейля» . Newsbeat . BBC . Проверено 9 октября 2012 года .
- ^ Тилден, Уильям Август (2009). Краткая история прогресса научной химии в наше время . БиблиоБазар, ООО. п. 249. ISBN 978-1-103-35842-7.
- ^ Маттокс, Брент С. «Отчет о расследовании химического взрыва цилиндра 301A» (PDF) . Техасский университет A&M. Архивировано из оригинала (перепечатки) на 2008-10-31.
- ^ Британская ассоциация сжатых газов (2000) Свод правил BCGA CP30. Безопасное использование сосудов Дьюара с жидким азотом до 50 литров. Архивировано 2007-07-18 в Вайбак Machine ISSN 0260-4809.
- ^ Вход в замкнутое пространство - рабочий и потенциальный спасатель задохнулись. Архивировано 29 августа 2017 г. в Wayback Machine , пример случаяасфиксии нанефтеперерабатывающем заводе Валеро.
- ^ Запрос после людей умирают в химической утечке , BBC News, 25 октября 1999 .
- ^ Жидкий азот - Правила обращения . Великобритания: Биркбек, Лондонский университет. 2007 . Проверено 8 февраля 2012 .
- ^ Леви, Кристофер Г. «Безопасность жидкого азота» . Инженерная школа Тайера в Дартмуте.
- ^ "Студенты глотают медицинскую литературу" . Вустерский политехнический институт . 20 января 1999 года Архивировано из оригинала 22 февраля 2014 года . Проверено 11 октября 2014 года .
- ^ Жидкий азот коктейль листья подросток в больнице , BBC News, 8 октября 2012 .
- ^ Fausset, Уильям; Левенсон, Майкл (28 января 2021 г.). «6 умирают после утечки жидкого азота на птицефабрике Джорджии» . Нью-Йорк Таймс . Архивировано 29 января 2021 года.
- ^ Almqvist, Ebbe (2003) История промышленных газов , Springer, ISBN 0306472775 стр. 163
