Υγρό άζωτο

Από τη Βικιπαίδεια, την ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια
Μετάβαση σε: πλοήγηση, αναζήτηση
Υγρό άζωτο
Μια επίδειξη του υγρού αζώτου στην Ατλάντα της Γεωργίας κατά τη διάρκεια της διαδικτυακής συνδιάσκεψης το 2013
Σπουδαστές προετοιμάζουν οικιακό παγωτό με υγρό άζωτο.

Το υγρό άζωτο είναι άζωτο σε υγρή κατάσταση σε μια εξαιρετικά χαμηλή θερμοκρασία. Παράγεται βιομηχανικά με κλασματική απόσταξη του υγρού αέρα. Το υγρό άζωτο είναι ένα άχρωμο διαφανές υγρό με πυκνότητα 0,807 g/ml στο σημείο βρασμού και μια διηλεκτρική σταθερά 1,43.[1] Το υγρό άζωτο αναφέρεται συχνά, στα αγγλικά, με τη συντόμευση, LN2 ή "LIN" ή "LN" και έχει αριθμό UN 1977. Το υγρό άζωτο είναι ένα διατομικό υγρό που σημαίνει ότι ο διατομικός χαρακτήρας του ομοιοπολικού δεσμού Ν στο αέριο N2 διατηρείται ακόμα και μετά την υγροποίηση.[2]

Σε ατμοσφαιρική πίεση, το υγρό άζωτο βράζει στους −196 °C (77,1 K) και είναι ένα κρυογονικό υγρό που μπορεί να προκαλέσει γρήγορη ψύξη κατά την επαφή με ζωντανούς ιστούς. Όταν μονωθεί κατάλληλα από τη θερμότητα του περιβάλλοντος, το υγρό άζωτο μπορεί να αποθηκευτεί και να μεταφερθεί, παραδείγματος χάριν σε φιάλες κενού. Εδώ, η πολύ χαμηλή θερμοκρασία διατηρείται σταθερή στους 77 K με αργό βρασμό του υγρού, που έχει ως αποτέλεσμα, την έκλυση αερίου αζώτου. Ανάλογα με το μέγεθος και το σχήμα, ο χρόνος διατήρησης των φιαλών κενού (θερμός) ποικίλει από μερικές ώρες μέχρι μερικές εβδομάδες. Η ανάπτυξη πεπιεσμένων υπερμονωμένων δοχείων κενού έχει επιτρέψει την αποθήκευση και μεταφορά του υγρού αζώτου για μεγαλύτερες χρονικές περιόδους με απώλειες μειωμένες σε 2% ανά ημέρα ή και λιγότερο.[3]

Το υγρό άζωτο μπορεί εύκολα να μετατραπεί σε στερεό τοποθετώντας το σε έναν θάλαμο κενού όπου αντλείται από μια περιστροφική αντλία κενού.[4] Το υγρό άζωτο στερεοποιείται στους 63 K (−210 °C; −346 °F). Παρά τη φήμη του, η αποτελεσματικότητα του υγρού αζώτου ως ψυκτικού είναι περιορισμένη από το γεγονός ότι βράζει αμέσως κατά την επαφή με ένα πιο θερμό αντικείμενο, περιβάλλοντας το αντικείμενο με μονωτικό αέριο άζωτο. Αυτό το φαινόμενο, γνωστό ως φαινόμενο Leidenfrost, εφαρμόζεται σε οποιοδήποτε υγρό κατά την επαφή με ένα αντικείμενο σημαντικά πιο θερμό από το σημείο βρασμού του. Πιο γρήγορη ψύξη μπορεί να επιτευχθεί βυθίζοντας ένα αντικείμενο σε μείγμα υγρού και στερεού αζώτου παρά μόνο σε υγρό άζωτο.

Το άζωτο υγροποιήθηκε για πρώτη φορά στο Πανεπιστήμιο Jagiellonian στις 15 Απριλίου 1883 από τους Πολωνούς φυσικούς, Ζίγκμουντ Βρομπλέφσκι και Κάρολ Ολζέφσκι.[5]

Χρήσεις[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Το υγρό άζωτο είναι μια συμπαγής και εύκολα μεταφερόμενη πηγή αερίου αζώτου χωρίς συμπίεση. Επιπλέον, η ικανότητά του να διατηρεί θερμοκρασίες πολύ κάτω από το σημείο πήξης του νερού το κάνει ιδιαίτερα χρήσιμο σε μια πλατιά περιοχή εφαρμογών, κυρίως ως έναν ανοικτό κύκλο ψυκτικού, που περιλαμβάνει:

  • την κρυοθεραπεία για την αφαίρεση άσχημου ή δυνητικά κακοήθεις αλλοιώσεις δέρματος όπως κονδυλώματα και ακτινική κεράτωση
  • την αποθήκευση κυττάρων σε χαμηλή θερμοκρασία για εργαστηριακή εργασία
  • την κρυογονική
  • μια κρυοφόρο για να δείξει γρήγορη ψύξη με εξάτμιση
  • ως εναλλακτική πηγή αζώτου σε υποξικά συστήματα αέρα για αποτροπή φωτιάς
  • ως πηγή πολύ ξηρού αερίου αζώτου
  • την εμβάπτιση, ψύξη και μεταφορά τροφής
  • την κρυοσυντήρηση του αίματος, αναπαραγωγικών κυττάρων (σπέρματος και ωαρίου) και άλλων βιολογικών δειγμάτων και υλικών
    • τη διατήρηση δειγμάτων ιστών από χειρουργικές αφαιρέσεις για μελλοντικές μελέτες
  • ως μια μέθοδος παγώματος νερού και σωλήνων ελαίων για εργασίες σε περιπτώσεις όπου μια βαλβίδα δεν είναι διαθέσιμη για να φράξει τη ροή υγρού στην περιοχή εργασίας, γνωστή ως "τάπα πάγου" – που τώρα έχει αντικατασταθεί από ηλεκτρικές αντλίες θέρμανσης (για σωλήνες μικρής διαμέτρου)
  • την επεξεργασία στη διάθεση των νεκρών
  • την κρυονική συντήρηση με την ελπίδα της μελλοντικής ανάστασης.
  • για την ταυτόχρονη συστολή συγκολλημένων τμημάτων μηχανημάτων
  • ως ψυκτικού
  • την προετοιμασία φαγητού, όπως στην παρασκευή υπερμαλακού παγωτού.[8] Δείτε επίσης μοριακή γαστρονομία.
  • την αδρανοποίηση περιέκτη και την πίεση εισάγοντας μια ελεγχόμενη ποσότητα υγρού αζώτου πριν τη σφράγιση ή κάλυψη.[9][10]
  • ως επιφανειακή πρωτοτυπία δίνοντας ένα ομιχλώδες "φαινόμενο χύτρας" με φυσαλίδες σε ποτά.
  • ως μέσο ενεργειακής αποθήκευσης.[11][12]
  • το σημάδεμα βοειδών.

Μαγειρική χρήση του υγρού αζώτου[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Η μαγειρική χρήση του υγρού αζώτου αναφέρεται από το 1890 σε ένα βιβλίο συνταγών με τίτλο Φανταστικά παγωτά με συγγραφέα την Agnes Marshall,[13] αλλά έχει χρησιμοποιηθεί πιο πρόσφατα από εστιατόρια στην παρασκευή παγωμένων επιδόρπιων, όπως στα παγωτά, που μπορούν να δημιουργηθούν πολύ γρήγορα στο τραπέζι λόγω της ταχύτητας ψύξης της τροφής.[13] Η ταχύτητα κατάψυξης οδηγεί επίσης στον σχηματισμό μικρότερων παγοκρυστάλλων, που δίνει στο επιδόρπιο μια πιο ομαλή υφή.[13] Η τεχνική αυτή χρησιμοποιείται από τον μάγειρα Heston Blumenthal στο εστιατόριο του για τη δημιουργία παγωμένων πιάτων όπως παγωτών με αυγά και μπέικον.[13][14] Το υγρό άζωτο έχει γίνει επίσης δημοφιλές στην παρασκευή μειγμάτων ποτών επειδή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για γρήγορη κατάψυξη διάφορων συστατικών.[15] Προστίθεται επίσης στα ποτά για την παραγωγή ομιχλώδους φαινομένου, που συμβαίνει καθώς μικροσκοπικά σταγονίδια του υγρού αζώτου έρχονται σε επαφή με τον περιβάλλοντα αέρα, συμπυκνώνοντας τον ατμό που είναι φυσιολογικά παρών.[15]

Ασφάλεια[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Πλήρωση φιάλης Ντιούαρ με υγρό άζωτο από μια αποθηκευτική δεξαμενή

Επειδή ο λόγος διαστολής υγρού προς αέριο του αζώτου είναι 1:694 στους 20 °C (68 °F), μπορεί να δημιουργηθεί μια τεράστια δύναμη αν το υγρό άζωτο εξατμιστεί γρήγορα. Σε ένα συμβάν το 2006 στο Πανεπιστήμιο του Τέξας A&M, οι συσκευές εκτόνωσης πίεσης μιας δεξαμενής υγρού αζώτου δυσλειτουργούσαν και αργότερα σφραγίστηκαν. Ως αποτέλεσμα της ακόλουθης δημιουργίας υψηλής πίεσης, υπήρξε καταστροφή της δεξαμενής. Η δύναμη της έκρηξης ήταν αρκετή για να σπρώξει τη δεξαμενή μέσα από την οροφή που ήταν από πάνω της, να θρυμματίσει ενισχυμένο σκυρόδερμα από κάτω της και να τινάξει τους τοίχους του εργαστηρίου 0,1 -0,2m από τα θεμέλια τους[16]

Λόγω της πολύ χαμηλής θερμοκρασίας, απρόσεκτος χειρισμός του υγρού αζώτου μπορεί να οδηγήσει σε ψυχρά εγκαύματα.

Καθώς το υγρό άζωτο εξατμίζεται θα μειώσει τη συγκέντρωση του οξυγόνου στον αέρα και μπορεί να δράσει ως ασφυξιογόνο αέριο, ιδιαίτερα σε περιορισμένους χώρους. Το άζωτο είναι άοσμο, άχρωμο και άγευστο και μπορεί να προκαλέσει ασφυξία χωρία καμία αίσθηση ή προηγούμενη προειδοποίηση.[17] Ένας βοηθός εργαστηρίου πέθανε στη Σκωτία το 1999 από ασφυξία που προκλήθηκε από υγρό άζωτο που χύθηκε σε έναν υπόγειο αποθηκευτικό χώρο.[18] Το 2012, αφαιρέθηκε το στομάχι μιας νεαρής γυναίκας μετά από κατάποση ενός ποτού που περιείχε υγρό άζωτο.[19]

Αισθητήρες οξυγόνου χρησιμοποιούνται κάποιες φορές ως προφύλαξη ασφαλείας κατά την εργασία με υγρό άζωτο για να προειδοποιεί τους εργαζόμενους για κηλίδες αερίου σε έναν κλειστό χώρο.[20]

Δοχεία που περιέχουν υγρό άζωτο μπορούν να συμπυκνώσουν οξυγόνο από τον αέρα. Το υγρό σε τέτοια δοχεία εμπλουτίζεται σε οξυγόνο (σημείο βρασμού 90 K; −183 °C; −298 °F) καθώς εξατμίζεται το άζωτο και μπορεί να προκαλέσει βίαιη οξείδωση οργανικών υλικών.[21]

Παραγωγή[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Κύριο λήμμα: Διαχωρισμός αέρα

Το υγρό άζωτο παράγεται εμπορικά από την κρυογονική απόσταξη του υγροποιημένου αέρα ή από την υγροποίηση του καθαρού αζώτου που παράγεται από αέρα χρησιμοποιώντας προσρόφηση με εναλλαγή πίεσης. Ένας αεροσυμπιστής χρησιμοποιείται για να συμπιέσει τον φιλτραρισμένο αέρα σε υψηλή πίεση· το αέριο με υψηλή πίεση ψύχεται σε θερμοκρασία περιβάλλοντος και του επιτρέπεται η διαστολή σε χαμηλή πίεση. Το διαστελόμενο αέριο ψύχεται πολύ (το φαινόμενο Τζάουλ-Τόμσον) και τα οξυγόνο, άζωτο και αργό διαχωρίζονται σε παραπέρα στάδια διαστολής και απόσταξης. [1] Μικρής κλίμακας παραγωγή υγρού αζώτου επιτυγχάνεται εύκολα χρησιμοποιώντας αυτήν την αρχή. Υγρό άζωτο μπορεί να παραχθεί για άμεση πώληση ή ως παραπροϊόν κατασκευής υγρού οξυγόνου που χρησιμοποιείται για βιομηχανικές διεργασίες όπως παρασκευή χάλυβα. Τα εργοστάσια υγρού αέρα που παράγουν κατά παραγγελία τόνους προϊόντος ανά ημέρα ξεκίνησαν το να κατασκευάζονται την δεκαετία του 1930, αλλά έγιναν πολύ συνηθισμένα μετά τον δεύτερο παγκόσμιο πόλεμο· ένα μεγάλο σύγχρονο εργοστάσιο μπορεί να παράξει 3000 τόνους/ημέρα από προϊόντα υγρού αέρα.[22]

Παραπομπές[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

  1. Murphy, E. J.; Morgan, S. O.. «The Dielectric Properties of Insulating Materials». http://www.alcatel-lucent.com/bstj/vol16-1937/articles/bstj16-4-493.pdf. Ανακτήθηκε στις October 2, 2012. 
  2. D. G. Henshaw, D. G. Hurst, and N. K. Pope (1953). «Structure of Liquid Nitrogen, Oxygen, and Argon by Neutron Diffraction». Physical Review 92: 1229. doi:10.1103/PhysRev.92.1229. 
  3. http://www.aspenycap.org/files/CryogenicGases.pdf
  4. Umrath, W. (1974). «Cooling bath for rapid freezing in electron microscopy». Journal of Microscopy 101: 103–105. doi:10.1111/j.1365-2818.1974.tb03871.x. 
  5. Tilden, William Augustus (2009). A Short History of the Progress of Scientific Chemistry in Our Own Times. BiblioBazaar, LLC, σελ. 249. ISBN 1-103-35842-1. http://books.google.com/books?id=8SKrWdFLEd4C&pg=PA249. 
  6. Wainner, Scott. Richmond, Robert (2003). The Book of Overclocking: Tweak Your PC to Unleash Its Power. No Starch Press, σελ. 44. ISBN 1-886411-76-X. 
  7. Karam, Robert D. (1998). Satellite Thermal Control for System Engineers. AIAA, σελ. 89. ISBN 1-56347-276-7. 
  8. Liquid Nitrogen Ice Cream Recipe, March 7, 2006
  9. Liquid nitrogen – how to dose effectively, June 19, 2012
  10. Chart Dosers Dosing Products, June 19, 2012
  11. Harrabin, Roger (2 October 2012). «Liquid air 'offers energy storage hope'». BBC. http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-19785689. 
  12. Markham, Derek (October 3, 2012). «Frozen Air Batteries Could Store Wind Energy for Peak Demand». Treehugger. Discovery Communications. http://www.treehugger.com/wind-technology/liquid-air-battery-could-provide-renewable-energy-storage.html. 
  13. 13,0 13,1 13,2 13,3 «Who What Why: How dangerous is liquid nitrogen?». BBC News (BBC). 9 October 2012. http://www.bbc.co.uk/news/magazine-19870668. Ανακτήθηκε στις 9 October 2012. 
  14. Wallop, Harry (9 October 2012). «The dark side of liquid nitrogen cocktails». The Daily Telegraph (Telegraph Media Group). http://www.telegraph.co.uk/health/9594206/The-dark-side-of-liquid-nitrogen-cocktails.html. Ανακτήθηκε στις 12 October 2012. 
  15. 15,0 15,1 Gladwell, Amy (9 October 2012). «Teenager's stomach removed after drinking cocktail». Newsbeat (BBC). http://www.bbc.co.uk/newsbeat/19866191. Ανακτήθηκε στις 9 October 2012. 
  16. Mattox, Brent S.. «Investigative Report on Chemistry 301A Cylinder Explosion» (reprint). Texas A&M University. http://ucih.ucdavis.edu/docs/chemistry_301a.pdf. 
  17. British Compressed Gases Association (2000) BCGA Code of Practice CP30. The Safe Use of Liquid nitrogen Dewars up to 50 litres. ISSN 0260-4809.
  18. Inquiry after man dies in chemical leak, BBC News, October 25, 1999.
  19. Liquid nitrogen cocktail leaves teen in hospital, BBC News, October 8, 2012.
  20. Liquid Nitrogen – Code of practice for handling. United Kingdom: Birkbeck, University of London. 2007. http://www.bbk.ac.uk/so/policies/liqn2. Ανακτήθηκε στις 2012-02-08. 
  21. Levey, Christopher G.. «Liquid Nitrogen Safety». Thayer School of Engineering at Dartmouth. http://engineering.dartmouth.edu/microeng/ln2.html. 
  22. Almqvist, Ebbe (2003) History of Industrial Gases, Springer, ISBN 0306472775 p. 163