Температура жидкого азота в сосуде
У этого термина существуют и другие значения, см. Сжиженный газ.
Жидкий азот – прозрачная жидкость. Является одним из четырёх агрегатных состояний азота. Жидкий азот обладает удельной плотностью 0,808 г/см³ и имеет точку кипения 77,4 K (−195,75 °C). Не взрывоопасен и не ядовит. Впервые получен Раулем Пикте.
Хранение[править | править код]
Заполнение сосуда Дьюара жидким азотом из бака
Литр жидкого азота, испаряясь и нагреваясь до 20 °C, образует примерно 700 литров газа. По этой причине жидкий азот хранят в специальных сосудах Дьюара с вакуумной изоляцией открытого типа или криогенных ёмкостях под давлением.
Использование[править | править код]
У жидкого азота немало сфер применения.
В технике и на производстве:
- используется для криогенной резки;
- при глубокой заморозке различных материалов, в том числе органических;
- для охлаждения различного оборудования и техники;
- в оверклокинге, для охлаждения компонентов компьютера при экстремальном разгоне;
В строительстве:
- Для замораживания водонасыщенных грунтов при строительстве подземных сооружений.[1]
В медицине:
- для хранения клеток, органов и тканей при помощи криоконсервации
- для криодеструкции (разрушения пораженных участков тканей и органов), например, для удаления бородавок
- для косметической процедуры «криованна» (воздействие холодом на кожу)
В пожаротушении:
- Испаряясь, азот охлаждает очаг возгорания и вытесняет кислород, необходимый для горения, поэтому пожар прекращается. Так как азот, в отличие от воды, пены или порошка, просто испаряется и выветривается, азотное пожаротушение, наряду с углекислотным, – наиболее эффективный с точки зрения сохранности ценностей способ тушения пожаров.
Жидкий азот в массовой культуре[править | править код]
Мгновенная заморозка крупных объектов[править | править код]
Жидкий азот нередко демонстрируется в кинофильмах («Терминатор 2: Судный день», «Куб Ноль») в качестве вещества, способного мгновенно заморозить достаточно крупные объекты. Это широко распространённая ошибка. Даже для замораживания цветка необходимо достаточно продолжительное время. Это связано отчасти с весьма низкой теплоёмкостью азота. По этой же причине весьма затруднительно охлаждать, скажем, замки́ до −196 °C и раскалывать их одним ударом, согласно одной из серий «Разрушителей Легенд» для этого требуется 25 минут. Однако на примере “Терминатора 2. Судный день” нельзя однозначно сказать, что это невозможно, так как неизвестен материал (его характеристики), из которого изготовлен терминатор.
Заморозка жидким азотом живых организмов[править | править код]
Заморозка жидким азотом живых организмов (главным образом млекопитающих) с возможностью последующей их разморозки проблематична. Проблема заключается в невозможности заморозить (и разморозить) организм достаточно быстро, чтобы неоднородность заморозки не сказалась на его жизненных функциях. Главным образом происходит обширное повреждение тканей кристаллами замёрзшей воды. Даже если остановить сердцебиение на момент заморозки и заморозить живое существо без повреждений, его разморозка представляет собой достаточно длительный процесс, проходящий от поверхности внутрь тела. К моменту полной разморозки внутренней области тела, наружные ткани успевают отмереть. Поэтому заморозка и последующая разморозка с сохранением жизни возможна только с относительно небольшими по размерам живыми организмами. Некоторые насекомые используют заморозку своего тела на зимнее время.
Станислав Лем, фантазируя на эту тему в книге «Фиаско», придумал экстренную систему заморозки азотом, в которой шланг с азотом, выбивая зубы, вонзался в рот астронавта и внутрь его подавался обильный поток азота.
Но тем не менее заморозка людей после их смерти осуществляется несколькими крионическими компаниями, как в России, так и за рубежом.
См. также[править | править код]
- Жидкий кислород
- Сжижение газов
- Жидкий гелий
Ссылки[править | править код]
- ГОСТ 9293-74
Примечания[править | править код]
Источник
Он непригоден для дыхания, не имеет запаха и цвета, не вступает в реакции со щелочными веществами и не поддерживает процесс горения. При этом окружающий воздух состоит как минимум на две трети именно из него. Знакомьтесь: его величество Азот!
Первооткрыватели
У азота нет конкретного ученого, который считался бы первооткрывателем этого элемента. Точнее есть, но несколько. Выяснить, кому именно принадлежат лавры открытия, сейчас уже невозможно.
1772 год – важный год для химического элемента. Сразу четверо ученых вплотную приблизились к открытию азота. Это и британский химик Генри Кавендиш, и первооткрыватель кислорода Джозеф Пристли, и шведский химик-фармацевт Карл Шееле, и шотландский химик Даниэль Резерфорд. Все они в одно и то же время проводили различные исследования и эксперименты с газами. Эти люди близко подошли к открытию нового химического элемента. Но выделить кого-то из них в качестве однозначного первооткрывателя нельзя.
Что такое азот?
Азот – химический элемент 15 группы второго периода таблицы Менделеева под атомным номером 7. Самый распространенный газ в составе атмосферы. У него нет цвета, вкуса и запаха. Обозначается латинским символом N. Название «азот» происходит от греческого azoos – безжизненный.
Агрегатные состояния
Азот может существовать в трех видах: твердом, жидком и газообразном. В твердом состоянии он имеет вид ярко-белых кристаллов больших размеров. Температура азота в твердом виде составляет 209,86 °C.
В газообразном состоянии представлена большая часть азота на планете Земля. Это двухатомный газ, не ощутимый для человека. У него нет цвета, запаха, вкуса. Он безопасен в плане возгораний, т. к. не участвует в процессе горения. Химически инертен. Для промышленности азот в газообразном состоянии незаменим при получении аммиака и наполнении камер шин шасси в летательных аппаратах.
В жидкое состояние азот переходит при сгущении газа. Процесс неэкономный. Так, чтобы получить один литр жидкого азота, требуется использовать более 700 литров газа. Температура жидкого азота – 196 градусов. Но тут есть один интересный момент: если при такой температуре поместить азот в вакуум, он перейдет в твердое состояние.
Жидкий азот: интересные свойства и применение
В жидком состоянии азот выделяет колоссальное количество холода, что объясняет интерес к этому агрегатному состоянию вещества.
Температура кипения азота, как правило, ниже -120 ˚C. Если посмотреть на это вещество в жидком состоянии, то можно отметить его схожесть с водой – это бесцветная, прозрачная жидкость. Но в отличие от воды – жидкость подвижная.
Температура жидкого азота низкая, 196 градусов, поэтому хранить его требуется в специальных резервуарах – сосудах Дьюара. Внешне они напоминают большие термосы с двойными стенками, между стенками – вакуум. Благодаря такому устройству сосуды обладают хорошей теплоизоляцией, однако далеко не идеальной. Поэтому вечно хранить в себе азот в жидком состоянии сосуды Дьюара не могут. Максимально задержать процесс испарения они способны на несколько недель.
Низкая температура жидкого азота позволяет использовать этот элемент в различных отраслях промышленности: пищевой, металлургической, нефтехимической. Популярен жидкий азот в эстетической косметологии: с его помощью удаляют бородавки, родинки, гемангиомы. В кулинарии с его применением можно быстро охладить продукты и сделать потрясающе красивое мороженое. В электронике жидкий азот помогает предотвратить окисление в процессе производства полупроводников. Его используют и при тушении пожаров и при постановке трюков в кино.
Азотные моря и озера – реальность
Однако не на Земле. У планеты Сатурн есть спутник под названием Титан. Благодаря особым климатическим условиям на его поверхности азот не испаряется, как на нашей планете, а находится в твердом и жидком состояниях. Космический зонд «Кассини» констатировал недавно интересный факт: на Титане, в северной его части, идет процесс таяния ледников из твердого азота. В результате образуются многочисленные моря и озера, полностью состоящие из жидкого азота.
Крионика – наука будущего или шарлатанство?
Экстремально низкая температура жидкого азота дала жизнь разделу медицины под названием «крионика». Эта технология представляет собой изучение процесса замораживания людей и животных посредством глубокого охлаждения. Есть огромное количество как сторонников, так и противников данной методики. Противники, в первую очередь, опираются на тот факт, что невозможно заморозить человека или животное настолько быстро, чтобы не повредить жизненные функции. Процесс заморозки занимает время. Чем крупнее объект, тем больше времени требуется. В результате такого неоднородного «замерзания» внутренние ткани повреждаются кристаллами замерзшей воды – организм гибнет.
Сторонники данной методики не сдаются, уповая на то, что в дальнейшем удастся решить эту проблему. Так, человечество сделает огромный шаг вперед. На данный момент свыше 70 ученых мира подписали открытое письмо в защиту крионики. Популярность в массах этого подхода медленно, но растет. Метод дорогой, идет вразрез с традиционными представлениями о погребении умерших и однозначно не проработан, но в мире процессу «замораживания» подверглись уже более 2000 человек. К слову, самый первый пациент, ученый Джеймс Бэдфорд, заморожен уже более 50 лет. Что касается нашей страны то у нас крионированы 55 человек и больше 20 животных. Кто знает, возможно, спустя десятки или даже сотни лет они станут первыми “воскресшими” на планете Земля.
Источник
|
Жидкий азот это вещество азот N2 в жидком состоянии при экстремально низкой температуре -196C (77.35K) при давлении 101,3кПа. Зависимость температуры кипения жидкого азота от давления представлена в Таблице 2. Жидкий азот не обладает цветом и запахом. При контакте с воздухом жидкий азот поглощает из него кислород, образуя раствор кислорода в азоте в связи с чем температура кипения смеси постепенно меняется. Температура жидкого азота может быть понижена до точки замерзания -210С (63К) при создании необходимого разряжения над его поверхностью. Разряжение достигают путем откачки емкости с жидким азотом вакуумным насосом соответствующей производительности. Плотность жидкого азота при давлении при давлении 101,3кПа составляет 808кг/м3. Зависимость плотности жидкого азота от давления представлена в Таблице 3. Жидкий азот получают путем ожижения атмосферного воздуха с дальнейшим его разделением на ректификационной колонне, либо ожижением газообразного азота, полученного с помощью мембранного, либо сорбционного метода разделения воздуха. В атмосферном воздухе содержание газообразного азота составляет 75,6 % (по массе) или 78,084 % (по объёму). Таблица 1. Марки жидкого азота классифицируют в соответствии с ГОСТ 9293-74.
Жидкий азот используют для охлаждения различных объектов и для газификации. Газификация жидкого азота позволяет существенно сократить издержки на доставку газообразного азота потребителю. Для газификации жидкого азота используются специальные сосуды газификаторы различных модификаций и азот марки ОСЧ. Для охлаждения достаточно технического азота, т.к. для охлаждения различных объектов как правило отсутствуют требования на чистоту азота. Под чистотой азота понимается степень содержания в нем кислорода. Таблица 2. Давление насыщенных паров азота при температурах 20-126К
Примечание: * – тройная точка; ** – точка нормального кипения; *** – критическая точка Таблица 3. Плотность жидкого азота в диапазоне температур 63-126К
Таблица 4. Приблизительный расход жидкого азота на охлаждение некоторых металлов
Таблица 5. Основные физические свойства жидкого азота
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Для хранения жидкого азота используются специальные емкости с вакуумной изоляцией. Небольшие емкости для хранения жидкого азота емкостью менее 50л называют сосудами Дьюара, емкости большего объема называют криогенными сосудами, криогенными емкостями и цистернами. При хранении азот испаряется, наиболее качественные емкости характеризуется минимальным значением его испарения. Для криогенных сосудов типичные потери продукта составляют 1-2% в сутки, для сосудов Дьюара 0,2-0,3% в сутки.Источник
Жидкое состояние азота
Демонстрация жидкого азота на заводе Freeside в Атланте, штат Джорджия, во время конференции Online News Association в 2013 году
Студенты готовятся домашнее мороженое с жидким азотом.
Жидкий азот -LN2- это азот в жидком состоянии при низкой температуре (-195,79 ° C (77 K ; -320 ° F ) точка кипения на уровне моря). Его производят промышленным способом путем фракционной перегонки 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 63 K (-210 ° C; -346 ° F), 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 газом азота. Этот эффект, известный как эффект Лейденфроста , применяется к любой жидкости, контактирующей с объектом, температура которого значительно превышает температуру кипения. Более быстрое охлаждение может быть достигнуто путем погружения объекта в слякоть из жидкого и твердого азота, а не только за счет жидкого азота.
Работа с
Поскольку 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 варьируется от нескольких часов до нескольких недель. Разработка сверхизолированных вакуумных сосудов под давлением позволила хранить и транспортировать жидкий азот в течение более длительных периодов времени с уменьшением потерь до 2% в день или меньше.
Использование
Жидкий азот – это компактный и легко транспортируемый источник сухого газообразного азота, так как не требует герметизации. Кроме того, его способность поддерживать температуры намного ниже точки замерзания воды делает его чрезвычайно полезным в широком диапазоне применений, прежде всего в качестве хладагента открытого цикла , включая:
- в криотерапии для удаления неприглядных или потенциально злокачественных кожных поражений, таких как бородавки и актинический кератоз
- для хранения клеток при низкой температуре для лабораторных работ
- в криогенике
- в криофоре , чтобы продемонстрировать быстрое замораживание посредством испарения
- в качестве резервного источника азота в гипоксии воздушные противопожарные системы
- в качестве источника очень сухого азотагаза
- для погружения, замораживания и транспортировки пищевых продуктовпродуктов
- для криоконсервации крови , репродуктивных клеток (сперматозоидов и яйцеклеток ) и других биологических образцов и материалов
- для защиты образцов тканей от хирургических иссечений для будущих исследований
- для облегчения криоконсервирования ион генетических ресурсов животных
- для замораживания трубопроводов с водой и нефтепродуктами 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 будущую реанимацию
- для сваривания деталей оборудования термоусадочной сваркой
- в качестве охлаждающей жидкости
- для CCD камер в астрономии
- для высокотемпературного сверхпроводника до температуры, достаточной для достижения сверхпроводимости
- для поддержания низкая температура вокруг первичной системы охлаждения жидкого гелия сильнопольных сверхпроводящих магнитов , используемых, например, в спектрометры ядерного магнитного резонанса и системы магнитно-резонансной томографии
- для ловушек с вакуумным насосом и в процессах контролируемого испарения в химия
- как компонент охлаждающих ванн , используемых для очень низкотемпературных реакций в химии
- для повышения чувствительности инфракрасных головок самонаведения ГСН ракет такие как Стрела 3
- для временного сжатия механических компонентов во время сборки машины и обеспечения улучшенной посадки с натягом
- для компьютеров и экстремального разгона
- для моделирования космический фон в вакуумной камере во время космического корабля тепловых испытаний
- при приготовлении пищи, например, для приготовления сверхгладкого мороженого . См. Также молекулярная гастрономия .
- в инертизации контейнеров и создании давления путем впрыскивания контролируемого количества жидкого азота непосредственно перед герметизацией или укупоркой
- в качестве косметической новинки, придающей напиткам дымный, пузырящийся «эффект котла». . См. коктейль с жидким азотом .
- как среду для хранения энергии
- клеймение крупного рогатого скота
Кулинарное использование жидкого азота
Кулинарное использование жидкого азота упоминается в книге рецептов 1890 года. под названием Fancy Ices, автором которого является миссис Агнес Маршалл , но в последнее время он использовался в ресторанах для приготовления замороженных десертов, таких как мороженое, которое можно приготовить за считанные секунды за столом из-за скорость, 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 вступают в контакт с окружающим воздухом, конденсируя естественный пар.
История
Впервые азот был сжижен в Ягеллонском университете 15 апреля 1883 года польскими физиками Зигмунтом Врублевским и Каролем Ольшевским .
Безопасность
Заполнение жидкого азота Dewar из резервуара для хранения
Так как степень расширения жидкости и газа азота составляет 1: 694 при 20 ° C (68 ° F), может возникнуть огромное усилие, если жидкий азот испаряется в замкнутом пространстве. Во время инцидента 12 января 2006 г. в Техасском университете A&M устройства для сброса давления в резервуаре с жидким азотом вышли из строя и позднее были закрыты. В результате последующего повышения давления резервуар катастрофически вышел из строя. Сила взрыва была достаточной, чтобы пробить резервуар через потолок непосредственно над ним, разбить железобетонную балку непосредственно под ним и оторвать стены лаборатории на 0,1-0,2 м от фундамента.
Из-за его чрезвычайно низкая температура, неосторожное обращение с жидким азотом и любыми охлаждаемыми им объектами может привести к холодным ожогам . В этом случае при работе следует использовать специальные перчатки. Однако 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 удушающий , 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 для предупреждения рабочих о газе разливается 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 жидкости азот 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, подержав во рту жидкий азот, случайно проглотил вещество, что привело к травмам, близким к смертельному. По-видимому, это был первый случай употребления жидкого азота в медицинской литературе. В 2012 году молодой женщине в Англии удалили желудок после того, как она проглотила коктейль, приготовленный из жидкого азота.
Производство
Жидкий азот коммерчески производится из криогенного перегонка сжиженного воздуха или сжижение чистого азота, полученного из воздуха, с использованием адсорбции при переменном давлении . воздушный компрессор используется для сжатия отфильтрованного воздуха до 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 на дальнейшие стадии 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 выплавка стали . Заводы по производству жидкого воздуха, производящие порядка тонн продукта в день, начали строиться в 1930-х годах, но стали широко распространяться после Второй мировой войны; большой современный завод может производить 3000 тонн жидкого воздуха в день.
См. также
- Сжижение газов
- Промышленный газ
- Компьютерное охлаждение
- Криогенная азотная установка
- Жидкий азот engine
Ссылки
Источник