Жидкий азот

Демонстрация жидкого азота в производственном помещении Freeside в Атланте, штат Джорджия, во время конференции Online News Association в 2013 году.

Жидкий азот ( ЖН ₂ ) – это 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 которой , вязкость составляет примерно одну десятую вязкости ацетона (т.е. примерно одну тридцатую вязкости воды при комнатной температуре ). Жидкий азот широко используется в качестве теплоносителя .

Физические свойства

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 газообразного 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]

Умение обращаться

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]

Использование

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, удельная теплоемкость 1040 Дж⋅кг . ^-1⋅K ^-1 и теплотой парообразования 200 кДж⋅кг. ^-1 делает его чрезвычайно полезным в широком спектре применений, в первую очередь в качестве хладагента открытого цикла , в том числе:

в криотерапии для удаления неприглядных или потенциально злокачественных поражений кожи, таких как бородавки и актинический кератоз.
хранить клетки при низкой температуре для лабораторных работ
в криогенике
в криофоре, чтобы продемонстрировать быстрое замораживание путем испарения.
в качестве резервного источника азота в системах пожаротушения гипоксическим воздухом
как источник очень сухого азота газообразного
для погружения, замораживания и транспортировки пищевых продуктов
для криоконсервации крови и , репродуктивных клеток ( сперматозоидов биологических яйцеклеток ) и других образцов и материалов
- сохранить образцы тканей после хирургического иссечения для будущих исследований
- способствовать криоконсервации генетических ресурсов животных
замораживать водо- и маслопроводы для проведения на них работ в ситуациях, когда отсутствует задвижка, перекрывающая поступление жидкости в рабочую зону; этот метод известен как криогенная изоляция
для крионирования в надежде на будущую реанимацию
для термопосадки деталей машин друг с другом
в качестве охлаждающей жидкости
- для с зарядовой связью фотоаппаратов в астрономии
- для высокотемпературного сверхпроводника до температуры, достаточной для достижения сверхпроводимости
- для поддержания низкой температуры вокруг первичной системы жидкостного гелиевого охлаждения сильнополевых сверхпроводящих магнитов, используемых, например, в спектрометрах ядерного магнитного резонанса и магнитно-резонансной томографии. системах
- для ловушек с вакуумными насосами и в процессах контролируемого испарения в химии
- в качестве компонента 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 обеспечения улучшенной посадки с натягом
- для компьютеров и экстремального разгона ^[4]
- для моделирования космического фона в вакуумной камере при космических аппаратов тепловых испытаниях ^[5]
- для контроля температуры бетонной массы , впрыскиваемой для предварительного охлаждения бетонных смесей во время доставки ^[6]
при приготовлении пищи, например, для приготовления ультрамягкого мороженого . ^[7] См. также молекулярную гастрономию .
при инертизации контейнера и повышении давления путем впрыскивания контролируемого количества жидкого азота непосредственно перед герметизацией или укупориванием ^[8]^[9]
как косметическая новинка, придающая напиткам дымный, пузырящийся «эффект котла». См. коктейль из жидкого азота .
как носитель энергии ^[10]^[11]
в заморозке клеймение крупного рогатого скота ^[12]
При строительстве туннелей для стабилизации нестабильной и рыхлой местности в почву впрыскивают жидкий азот, чтобы заморозить воду, присутствующую в почве. Благодаря повышенной несущей способности и непроницаемости улучшенный грунт не обрушится при раскопках и последующих работах. ^[13]

Кулинарный

Кулинарное использование жидкого азота упоминается в книге рецептов 1890 года под названием Fancy Ices, автором которой является Агнес Маршалл . ^[14] но в последнее время он использовался ресторанами для приготовления замороженных десертов, таких как мороженое, которое можно приготовить за считанные секунды за столом из-за скорости, с которой оно охлаждает пищу. ^[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 бокалов 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]

История

Азот был впервые сжижен в Ягеллонском университете 15 апреля 1883 года польскими физиками Зигмунтом Врублевским и Каролем Ольшевским . ^[17]

Безопасность

азота из жидкости в газ Поскольку коэффициент расширения 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] В январе 2021 года на птицеперерабатывающем заводе в американском штате Джорджия произошел разрыв линии подачи жидкого азота, в результате чего шесть человек погибли и 11 получили ранения. ^[19]

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 сгорит.

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. ^[20]^[21]^[22]

Датчики кислорода иногда используются в качестве меры предосторожности при работе с жидким азотом, чтобы предупредить рабочих о разливах 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 бурное окисление органического материала. ^[24]

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. ^[25] В 2012 году молодой женщине в Англии удалили желудок после того, как она приняла коктейль из жидкого азота. ^[26]

Производство

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 ссылка ]} 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]

См. также

Ссылки

^ Хеншоу, генеральный директор; Херст, Д.Г.; Поуп, Северная Каролина (1953). «Структура жидкого азота, кислорода и аргона по данным дифракции нейтронов». Физический обзор . 92 (5): 1229–1234. Бибкод : 1953PhRv...92.1229H . дои : 10.1103/PhysRev.92.1229 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Умрат, В. (1974). «Охлаждающая ванна для быстрого замораживания в электронной микроскопии». Журнал микроскопии . 101 : 103–105. дои : 10.1111/j.1365-2818.1974.tb03871.x . S2CID 96286845 .
^ КНИГА ДАННЫХ по криогенным газам и оборудованию, заархивировано 17 мая 2014 г. в Wayback Machine . aspenycap.org
^ Уэйннер, Скотт; Ричмонд, Роберт (2003). Книга по разгону: настройте свой компьютер, чтобы раскрыть его мощь . Нет крахмального пресса. стр. 44 . ISBN 1-886411-76-Х .
^ Карам, Роберт Д. (1998). Спутниковый термоконтроль для системных инженеров . АААА. п. 89. ИСБН 1-56347-276-7 .
^ Комитет 207 ACI - Отчет об охлаждении иИзоляционные системы дляМассовый бетон
↑ Рецепт мороженого с жидким азотом. Архивировано 20 декабря 2009 г. в Wayback Machine , 7 марта 2006 г.
↑ Жидкий азот – как эффективно дозировать. Архивировано 16 июня 2013 г. в Wayback Machine , 19 июня 2012 г.
^ Диаграмма дозирования продуктов. Архивировано 4 марта 2013 г. в Wayback Machine , 19 июня 2012 г.
^ Харрабин, Роджер (2 октября 2012 г.). «Жидкий воздух «даёт надежду на сохранение энергии» » . Би-би-си. Архивировано из оригинала 16 февраля 2019 года . Проверено 22 июня 2018 г.
^ Маркхэм, Дерек (3 октября 2012 г.). «Батареи с замороженным воздухом могут хранить энергию ветра для пиковых нагрузок» . Древохват . Дискавери Коммуникейшн. Архивировано из оригинала 5 ноября 2012 года . Проверено 22 октября 2012 г.
^ Дайер, Тед Г. (февраль 2010 г.). «Замораживание крупного рогатого скота» (PDF) . ^{[ мертвая ссылка ]}
^ «Замерзание почвы» .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д «Кто, что, почему: насколько опасен жидкий азот?» . Новости Би-би-си . 9 октября 2012 года. Архивировано из оригинала 9 октября 2012 года . Проверено 9 октября 2012 года .
^ Уоллоп, Гарри (9 октября 2012 г.). «Темная сторона коктейлей жидкого азота» . «Дейли телеграф» . Архивировано из оригинала 10 октября 2012 года . Проверено 12 октября 2012 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Гладуэлл, Эми (9 октября 2012 г.). «Подростку удалили желудок после употребления коктейля» . Новостной бит . Би-би-си. Архивировано из оригинала 9 октября 2012 года . Проверено 9 октября 2012 года .
^ Тилден, Уильям Огастес (2009). Краткая история развития научной химии в наше время . БиблиоБазар, ООО. п. 249. ИСБН 978-1-103-35842-7 . Архивировано из оригинала 31 декабря 2013 г. Проверено 28 февраля 2016 г.
^ Мэттокс, Брент С. «Отчет о расследовании химического взрыва цилиндра 301A» (PDF) . Техасский университет A&M. Архивировано из оригинала (перепечатка) 31 октября 2008 г.
^ Фоссет, Уильям; Левенсон, Майкл (28 января 2021 г.). «6 человек погибли после утечки жидкого азота на птицефабрике в Джорджии» . Нью-Йорк Таймс . Архивировано из оригинала 29 января 2021 года.
^ Британская ассоциация по сжатым газам (2000) Кодекс практики BCGA CP30. Безопасное использование жидких азотных сосудов Дьюара объемом до 50 литров. Архивировано 18 июля 2007 г. в Wayback Machine ISSN 0260-4809.
^ Вход в замкнутое пространство — задохнулся рабочий и потенциальный спасатель. Архивировано 29 августа 2017 г. в Wayback Machine , Исследование случая удушья на нефтеперерабатывающем заводе Валеро.
↑ Расследование после смерти человека в результате утечки химикатов. Архивировано 7 января 2017 г. в Wayback Machine , BBC News, 25 октября 1999 г.
^ Жидкий азот – Правила обращения с ним . Великобритания: Биркбек, Лондонский университет. 2007. Архивировано из оригинала 12 июня 2018 г. Проверено 8 февраля 2012 г.
^ Леви, Кристофер Г. «Безопасность жидкого азота» . Инженерная школа Тайера в Дартмуте. Архивировано из оригинала 05 марта 2016 г. Проверено 23 июня 2012 г.
^ «Студент глотает медицинскую литературу» . Вустерский политехнический институт . 20 января 1999 года. Архивировано из оригинала 22 февраля 2014 года . Проверено 11 октября 2014 г.
↑ Коктейль с жидким азотом оставил подростка в больнице. Архивировано 12 апреля 2017 г. в Wayback Machine , BBC News, 8 октября 2012 г.
^ Альмквист, Эббе (2003) История промышленных газов , Springer, ISBN 0306472775 с. 163

[1] Хеншоу, генеральный директор; Херст, Д.Г.; Поуп, Северная Каролина (1953). «Структура жидкого азота, кислорода и аргона по данным дифракции нейтронов». Физический обзор . 92 (5): 1229–1234. Бибкод : 1953PhRv...92.1229H . дои : 10.1103/PhysRev.92.1229 .

[Umrath-2] Перейти обратно: ^а ^б Умрат, В. (1974). «Охлаждающая ванна для быстрого замораживания в электронной микроскопии». Журнал микроскопии . 101 : 103–105. дои : 10.1111/j.1365-2818.1974.tb03871.x . S2CID 96286845 .

[3] КНИГА ДАННЫХ по криогенным газам и оборудованию, заархивировано 17 мая 2014 г. в Wayback Machine . aspenycap.org

[4] Уэйннер, Скотт; Ричмонд, Роберт (2003). Книга по разгону: настройте свой компьютер, чтобы раскрыть его мощь . Нет крахмального пресса. стр. 44 . ISBN 1-886411-76-Х .

[5] Карам, Роберт Д. (1998). Спутниковый термоконтроль для системных инженеров . АААА. п. 89. ИСБН 1-56347-276-7 .

[ACI-6] Комитет 207 ACI - Отчет об охлаждении иИзоляционные системы дляМассовый бетон

[7] Рецепт мороженого с жидким азотом. Архивировано 20 декабря 2009 г. в Wayback Machine , 7 марта 2006 г.

[8] Жидкий азот – как эффективно дозировать. Архивировано 16 июня 2013 г. в Wayback Machine , 19 июня 2012 г.

[9] Диаграмма дозирования продуктов. Архивировано 4 марта 2013 г. в Wayback Machine , 19 июня 2012 г.

[10] Харрабин, Роджер (2 октября 2012 г.). «Жидкий воздух «даёт надежду на сохранение энергии» » . Би-би-си. Архивировано из оригинала 16 февраля 2019 года . Проверено 22 июня 2018 г.

[11] Маркхэм, Дерек (3 октября 2012 г.). «Батареи с замороженным воздухом могут хранить энергию ветра для пиковых нагрузок» . Древохват . Дискавери Коммуникейшн. Архивировано из оригинала 5 ноября 2012 года . Проверено 22 октября 2012 г.

[12] Дайер, Тед Г. (февраль 2010 г.). «Замораживание крупного рогатого скота» (PDF) . ^{[ мертвая ссылка ]}

[13] «Замерзание почвы» .

[BBCMag-2012-10-09-14] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д «Кто, что, почему: насколько опасен жидкий азот?» . Новости Би-би-си . 9 октября 2012 года. Архивировано из оригинала 9 октября 2012 года . Проверено 9 октября 2012 года .

[Telegraph-2012-10-09-15] Уоллоп, Гарри (9 октября 2012 г.). «Темная сторона коктейлей жидкого азота» . «Дейли телеграф» . Архивировано из оригинала 10 октября 2012 года . Проверено 12 октября 2012 г.

[Newsbeat-2012-10-08-16] Перейти обратно: ^а ^б Гладуэлл, Эми (9 октября 2012 г.). «Подростку удалили желудок после употребления коктейля» . Новостной бит . Би-би-си. Архивировано из оригинала 9 октября 2012 года . Проверено 9 октября 2012 года .

[17] Тилден, Уильям Огастес (2009). Краткая история развития научной химии в наше время . БиблиоБазар, ООО. п. 249. ИСБН 978-1-103-35842-7 . Архивировано из оригинала 31 декабря 2013 г. Проверено 28 февраля 2016 г.

[18] Мэттокс, Брент С. «Отчет о расследовании химического взрыва цилиндра 301A» (PDF) . Техасский университет A&M. Архивировано из оригинала (перепечатка) 31 октября 2008 г.

[NYTimes_20210128-19] Фоссет, Уильям; Левенсон, Майкл (28 января 2021 г.). «6 человек погибли после утечки жидкого азота на птицефабрике в Джорджии» . Нью-Йорк Таймс . Архивировано из оригинала 29 января 2021 года.

[BCGACOPCP30-20] Британская ассоциация по сжатым газам (2000) Кодекс практики BCGA CP30. Безопасное использование жидких азотных сосудов Дьюара объемом до 50 литров. Архивировано 18 июля 2007 г. в Wayback Machine ISSN 0260-4809.

[21] Вход в замкнутое пространство — задохнулся рабочий и потенциальный спасатель. Архивировано 29 августа 2017 г. в Wayback Machine , Исследование случая удушья на нефтеперерабатывающем заводе Валеро.

[22] Расследование после смерти человека в результате утечки химикатов. Архивировано 7 января 2017 г. в Wayback Machine , BBC News, 25 октября 1999 г.

[usn-23] Жидкий азот – Правила обращения с ним . Великобритания: Биркбек, Лондонский университет. 2007. Архивировано из оригинала 12 июня 2018 г. Проверено 8 февраля 2012 г.

[24] Леви, Кристофер Г. «Безопасность жидкого азота» . Инженерная школа Тайера в Дартмуте. Архивировано из оригинала 05 марта 2016 г. Проверено 23 июня 2012 г.

[25] «Студент глотает медицинскую литературу» . Вустерский политехнический институт . 20 января 1999 года. Архивировано из оригинала 22 февраля 2014 года . Проверено 11 октября 2014 г.

[26] Коктейль с жидким азотом оставил подростка в больнице. Архивировано 12 апреля 2017 г. в Wayback Machine , BBC News, 8 октября 2012 г.

[27] Альмквист, Эббе (2003) История промышленных газов , Springer, ISBN 0306472775 с. 163

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]

[26]

[27]