Ciekły azot - Liquid nitrogen

Ciekły azot
Pokaz ciekłego azotu w przestrzeni producenta Freeside w Atlancie w stanie Georgia podczas konferencji Online News Association w 2013 r.
Uczniowie przygotowujący domowe lody z dewarem ciekłego azotu.

Ciekły azotLN 2 — to azot w stanie ciekłym w niskiej temperaturze. Ciekły azot ma temperaturę wrzenia około -195,8 ° C (-320 ° F; 77 K). Jest on produkowany przemysłowo przez frakcyjną destylację z ciekłego powietrza . Jest to bezbarwna ciecz o niskiej lepkości, szeroko stosowana jako chłodziwo.

Właściwości fizyczne

Dwuatomowych postać N 2 cząsteczki zatrzymywane po upłynnieniu . Słabe oddziaływania van der Waalsa między N 2 wyniki cząsteczki w małych cząsteczkowych interakcji, objawiający się w bardzo niskiej temperaturze wrzenia .

Temperaturę ciekłego azotu można łatwo obniżyć do jego punktu zamarzania -210°C (-346°F; 63 K) umieszczając go w komorze próżniowej pompowanej przez pompę próżniową . Skuteczność ciekłego azotu jako chłodziwa jest ograniczona przez fakt, że w przypadku kontaktu z cieplejszym przedmiotem natychmiast wrze, otaczając go izolacyjną warstwą pęcherzyków gazowego azotu. Ten efekt, znany jako efekt Leidenfrosta , występuje, gdy jakakolwiek ciecz wchodzi w kontakt z powierzchnią, która jest znacznie gorętsza niż jej temperatura wrzenia. Szybsze schładzanie można uzyskać, zanurzając obiekt w błocie ciekłego i stałego azotu zamiast samego ciekłego azotu.

Obsługiwanie

Jako ciecz kriogeniczna, która szybko zamraża żywą tkankę, jej obsługa i przechowywanie wymaga izolacji termicznej . Można go przechowywać i transportować w kolbach próżniowych , utrzymując stałą temperaturę 77 K poprzez powolne gotowanie cieczy. W zależności od wielkości i konstrukcji czas przechowywania termosów waha się od kilku godzin do kilku tygodni. Opracowanie ciśnieniowych superizolowanych zbiorników próżniowych umożliwiło przechowywanie i transport ciekłego azotu przez dłuższy czas przy stratach zmniejszonych do 2% dziennie lub mniej.

Zastosowania

Ciekły azot jest kompaktowym i łatwym do transportu źródłem suchego azotu, ponieważ nie wymaga stosowania ciśnienia. Co więcej, jego zdolność do utrzymywania temperatur znacznie poniżej punktu zamarzania wody sprawia, że ​​jest niezwykle przydatny w szerokim zakresie zastosowań, przede wszystkim jako czynnik chłodniczy w obiegu otwartym , w tym:

Kulinarny

Kulinarne wykorzystanie ciekłego azotu jest wspomniane w książce kucharskiej z 1890 roku zatytułowanej Fancy Ices autorstwa pani Agnes Marshall , ale ostatnio było wykorzystywane przez restauracje do przygotowywania mrożonych deserów, takich jak lody, które można chwile przy stole ze względu na szybkość, z jaką chłodzi jedzenie. Szybkość schładzania prowadzi również do tworzenia mniejszych kryształków lodu, co nadaje deserowi gładszą konsystencję. Technika ta jest stosowana przez szefa kuchni Hestona Blumenthala, który używał jej w swojej restauracji The Fat Duck do tworzenia mrożonych potraw, takich jak lody z jajkiem i bekonem. Ciekły azot stał się również popularny w przygotowywaniu koktajli, ponieważ można go wykorzystać do szybkiego schłodzenia szklanek lub zamrożenia składników. Jest również dodawany do napojów, aby uzyskać efekt zadymienia, który pojawia się, gdy maleńkie kropelki ciekłego azotu wchodzą w kontakt z otaczającym powietrzem, kondensując naturalnie występującą parę.

Początek

Azot został po raz pierwszy skroplony na Uniwersytecie Jagiellońskim 15 kwietnia 1883 r. przez polskich fizyków Zygmunta Wróblewskiego i Karola Olszewskiego .

Bezpieczeństwo

Napełnianie Dewara ciekłym azotem ze zbiornika magazynowego

Ponieważ stosunek rozprężania cieczy do gazu wynosi 1:694 w temperaturze 20°C (68°F), można wytworzyć ogromną siłę, jeśli ciekły azot zostanie odparowany w zamkniętej przestrzeni. W incydencie z 12 stycznia 2006 r. na Uniwersytecie Texas A&M , urządzenia obniżające ciśnienie w zbiorniku z ciekłym azotem uległy awarii, a później zostały uszczelnione. W wyniku kolejnego wzrostu ciśnienia zbiornik uległ katastrofalnej awarii. Siła wybuchu była wystarczająca, aby przebić zbiornik przez strop bezpośrednio nad nim, rozbić belkę żelbetową tuż pod nim i zdmuchnąć ściany laboratorium o 0,1–0,2 m od ich fundamentów.

Ze względu na wyjątkowo niską temperaturę nieostrożne obchodzenie się z ciekłym azotem i wszelkimi chłodzonymi przez niego przedmiotami może spowodować zimne oparzenia . W takim przypadku podczas obsługi należy używać specjalnych rękawic. Jednak mały plusk lub nawet wylana skóra nie spali się natychmiast ze względu na efekt Leidenfrosta , parujący gaz izoluje termicznie do pewnego stopnia, jak krótkie dotknięcie gorącego elementu mokrym palcem. Jeśli ciekły azot zdoła się gdziekolwiek zebrać, będzie się poważnie palić.

W miarę parowania ciekłego azotu zmniejsza stężenie tlenu w powietrzu i może działać jako duszący , zwłaszcza w pomieszczeniach zamkniętych . Azot jest bezwonny, bezbarwny i pozbawiony smaku i może powodować uduszenie bez żadnego odczucia lub wcześniejszego ostrzeżenia.

Czujniki tlenu są czasami używane jako środek ostrożności podczas pracy z ciekłym azotem, aby ostrzec pracowników o wyciekach gazu do zamkniętej przestrzeni.

Naczynia zawierające ciekły azot mogą skraplać tlen z powietrza. Ciecz w takim naczyniu staje się coraz bardziej wzbogacona w tlen (temperatura wrzenia 90 K; -183 °C; -298°F) w miarę parowania azotu i może powodować gwałtowne utlenianie materiału organicznego.

Spożycie ciekłego azotu może spowodować poważne uszkodzenia wewnętrzne z powodu zamrożenia tkanek, które mają z nim kontakt oraz z powodu objętości gazowego azotu wydzielonego podczas ogrzewania cieczy przez ciepło ciała. W 1997 roku student fizyki demonstrujący efekt Leidenfrosta przez trzymanie ciekłego azotu w ustach przypadkowo połknął substancję, powodując niemal śmiertelne obrażenia. Był to najwyraźniej pierwszy w literaturze medycznej przypadek spożycia ciekłego azotu. W 2012 roku młodej kobiecie w Anglii usunięto żołądek po spożyciu koktajlu sporządzonego z ciekłego azotu. W styczniu 2021 r. pękła linia przewożąca ciekły azot w zakładzie przetwórstwa drobiu w amerykańskim stanie Georgia, zabijając sześć osób i raniąc 11 innych.

Produkcja

Ciekły azot jest komercyjnie wytwarzany z kriogenicznej destylacji z skroplonego powietrza lub ze skraplaniem czystego azotu pochodzącego z powietrza za pomocą adsorpcji zmiennociśnieniowej . Kompresor powietrza jest wykorzystywana do sprężania powietrza przefiltrowanego wysokiego ciśnienia; gaz pod wysokim ciśnieniem jest schładzany z powrotem do temperatury otoczenia i pozwala się rozprężać do niskiego ciśnienia. Rozprężające się powietrze znacznie się ochładza ( efekt Joule-Thomsona ), a tlen, azot i argon są rozdzielane przez kolejne etapy rozprężania i destylacji. Dzięki tej zasadzie można łatwo uzyskać produkcję ciekłego azotu na małą skalę. Ciekły azot może być produkowany do sprzedaży bezpośredniej lub jako produkt uboczny wytwarzania ciekłego tlenu wykorzystywanego w procesach przemysłowych, takich jak stalownictwo . Fabryki ciekłego powietrza produkujące na zamówienie ton produktu dziennie rozpoczęto budowę w latach trzydziestych XX wieku, ale po II wojnie światowej stały się bardzo powszechne; duży nowoczesny zakład może wyprodukować 3000 ton płynnych produktów powietrznych dziennie.

Zobacz też

Bibliografia