Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Жидкое состояние азота
Liquid state of nitrogen
Жидкий азот — LN2 — это азот в жидком состоянии при низкой температуре. Температура кипения жидкого азота составляет около -196 °C. Он производится промышленно путем фракционной перегонки жидкого воздуха. Это бесцветная, подвижная жидкость, вязкость которой примерно в десять раз меньше, чем у ацетона (то есть примерно в тридцать раз меньше, чем у воды комнатной температуры). Жидкий азот широко используется в качестве хладагента.
Liquid nitrogen—LN2—is nitrogen in a liquid state at low temperature. Liquid nitrogen has a boiling point of about It is produced industrially by fractional distillation of liquid air. It is a colorless, mobile liquid whose viscosity is about one tenth that of acetone (i. e. roughly one thirtieth that of room temperature water). Liquid nitrogen is widely used as a coolant.
Физические свойства
Диатомный характер молекулы N2 сохраняется после сжижения. Слабое взаимодействие Ван-дер-Ваальса между молекулами N2 обуславливает незначительное межатомное притяжение. Это является причиной необычно низкой температуры кипения азота. Температуру жидкого азота можно легко понизить до температуры замерзания, поместив его в вакуумную камеру, откачиваемую вакуумным насосом. Эффективность жидкого азота как хладагента ограничена тем, что он немедленно закипает при контакте с более теплым объектом, образуя вокруг него изолирующий слой пузырьков азота. Этот эффект, известный как эффект Лейденфроста, наблюдается при контакте любой жидкости с поверхностью, температура которой значительно превышает её температуру кипения. Более быстрое охлаждение можно достичь, погружая объект в суспензию жидкого и твердого азота, а не только в жидкий азот.
The diatomic character of the N2 molecule is retained after liquefaction. The weak van der Waals interaction between the N2 molecules results in little interatomic attraction. This is the cause of nitrogen's unusually low boiling point. The temperature of liquid nitrogen can readily be reduced to its freezing point by placing it in a vacuum chamber pumped by a vacuum pump. Liquid nitrogen's efficiency as a coolant is limited by the fact that it boils immediately on contact with a warmer object, enveloping the object in an insulating layer of nitrogen gas bubbles. This effect, known as the Leidenfrost effect, occurs when any liquid comes in contact with a surface which is significantly hotter than its boiling point. Faster cooling may be obtained by plunging an object into a slush of liquid and solid nitrogen rather than liquid nitrogen alone.
Кулинарные
Кулинарное использование жидкого азота упоминается в книге рецептов 1890 года под названием «Fancy Ices», написанной Агнес Маршалл, однако в последнее время его стали использовать в ресторанах для приготовления замороженных десертов, таких как мороженое, которое можно приготовить за считанные минуты прямо за столом благодаря высокой скорости замораживания продуктов. Жидкий азот также приобрел популярность при приготовлении коктейлей, поскольку его можно использовать для быстрого охлаждения бокалов или замораживания ингредиентов.
The culinary use of liquid nitrogen is mentioned in an 1890 recipe book titled Fancy Ices authored by Agnes Marshall, but has been employed in more recent times by restaurants in the preparation of frozen desserts, such as ice cream, which can be created within moments at the table because of the speed at which it cools food. Liquid nitrogen has also become popular in the preparation of cocktails because it can be used to quickly chill glasses or freeze ingredients.
История
Впервые азот был сжижен в Ягеллонском университете 15 апреля 1883 года польскими физиками Зигмунтом Вроблевским и Каролом Ольшевским.
Nitrogen was first liquefied at the Jagiellonian University on 15 April 1883 by Polish physicists Zygmunt Wróblewski and Karol Olszewski.
Безопасность
Поскольку отношение расширения жидкости к газу азота составляет 1:694 при 20 °C (68 °F), при испарении жидкого азота в замкнутом пространстве может генерироваться огромное усилие. 12 января 2006 года в Техасском университете A&M предохранительные устройства резервуара с жидким азотом вышли из строя и впоследствии были загерметизированы. В результате последующего повышения давления резервуар разрушился катастрофически. Силы взрыва были достаточны, чтобы пробить резервуар через потолок над ним, разрушить железобетонную балку под ним и отбросить стены лаборатории на 0,1–0,2 м от их основания. В январе 2021 года на птицефабрике в штате Джорджия (США) произошел разрыв трубопровода, по которому транспортировался жидкий азот, в результате чего погибли шесть человек и 11 получили ранения. Из-за чрезвычайно низкой температуры неосторожное обращение с жидким азотом и любыми охлажденными им предметами может привести к обморожению. При работе с ним следует использовать специальные перчатки. Однако небольшое попадание или даже пролитие на кожу не вызовет немедленного ожога из-за эффекта Лейденфроста: испаряющийся газ в некоторой степени обеспечивает теплоизоляцию, подобно кратковременному касанию горячего элемента мокрым пальцем. Если жидкий азот скопится где-либо, он вызовет серьезное обморожение. При испарении жидкий азот снижает концентрацию кислорода в воздухе и может действовать как удушающее вещество, особенно в замкнутых пространствах. Азот не имеет запаха, цвета и вкуса и может вызвать удушье без каких-либо ощущений или предварительных предупреждений. В качестве меры предосторожности при работе с жидким азотом иногда используются датчики кислорода для оповещения рабочих об утечке газа в замкнутом пространстве. Ёмкости, содержащие жидкий азот, могут конденсировать кислород из воздуха. Жидкость в такой ёмкости становится всё более обогащённой кислородом (точка кипения) по мере испарения азота, что может привести к бурному окислению органических материалов. Попадание жидкого азота внутрь может вызвать серьезные внутренние повреждения из-за замерзания тканей, контактирующих с ним, и объема выделяющегося газообразного азота при нагревании жидкости теплом тела. В 1997 году студент-физик, демонстрируя эффект Лейденфроста и держа жидкий азот во рту, случайно проглотил вещество, получив близкие к смертельным травмы. Это, по-видимому, был первый задокументированный случай проглатывания жидкого азота в медицинской литературе. В 2012 году молодой женщине в Англии удалили желудок после употребления коктейля, приготовленного с использованием жидкого азота.
Because the liquid to gas expansion ratio of nitrogen is 1:694 at 20 °C (68 °F), a tremendous amount of force can be generated if liquid nitrogen is vaporized in an enclosed space. In an incident on January 12, 2006 at Texas A&M University, the pressure relief devices of a tank of liquid nitrogen were malfunctioning and later sealed. As a result of the subsequent pressure buildup, the tank failed catastrophically. The force of the explosion was sufficient to propel the tank through the ceiling immediately above it, shatter a reinforced concrete beam immediately below it, and blow the walls of the laboratory 0.1–0.2 m off their foundations. In January 2021, a line carrying liquid nitrogen ruptured at a poultry processing plant in the U. S. state of Georgia, killing six people and injuring 11 others. Because of its extremely low temperature, careless handling of liquid nitrogen and any objects cooled by it may result in cold burns. In that case, special gloves should be used while handling. However, a small splash or even pouring down skin will not burn immediately because of the Leidenfrost effect, the evaporating gas thermally insulates to some extent, like touching a hot element very briefly with a wet finger. If the liquid nitrogen manages to pool anywhere, it will burn severely. As liquid nitrogen evaporates it reduces the oxygen concentration in the air and can act as an asphyxiant, especially in confined spaces. Nitrogen is odorless, colorless, and tasteless and may produce asphyxia without any sensation or prior warning. Oxygen sensors are sometimes used as a safety precaution when working with liquid nitrogen to alert workers of gas spills into a confined space. Vessels containing liquid nitrogen can condense oxygen from air. The liquid in such a vessel becomes increasingly enriched in oxygen (boiling point ) as the nitrogen evaporates, and can cause violent oxidation of organic material. Ingestion of liquid nitrogen can cause severe internal damage, due to freezing of the tissues which come in contact with it and to the volume of gaseous nitrogen evolved as the liquid is warmed by body heat. In 1997, a physics student demonstrating the Leidenfrost effect by holding liquid nitrogen in his mouth accidentally swallowed the substance, resulting in near fatal injuries. This was apparently the first case in medical literature of liquid nitrogen ingestion. In 2012, a young woman in England had her stomach removed after ingesting a cocktail made with liquid nitrogen.
Производство
Жидкий азот производится в промышленных масштабах путем криогенной дистилляции сжиженного воздуха или сжижения 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 охлаждается до комнатной температуры и расширяется до низкого давления. Расширяющийся воздух значительно охлаждается (эффект Джоуля — Томсона), и кислород, азот и аргон разделяются на последующих стадиях расширения и дистилляции. Небольшое производство жидкого азота легко осуществить, используя этот принцип. Жидкий азот может производиться для прямой продажи или как побочный продукт при производстве 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 до 3000 тонн жидких продуктов в день.
Liquid nitrogen is produced commercially from the cryogenic distillation of liquified air or from the liquefaction of pure nitrogen derived from air using pressure swing adsorption. An air compressor is used to compress filtered air to high pressure; the high pressure gas is cooled back to ambient temperature, and allowed to expand to a low pressure. The expanding air cools greatly (the Joule–Thomson effect), and oxygen, nitrogen, and argon are separated by further stages of expansion and distillation. Small scale production of liquid nitrogen is easily achieved using this principle. Liquid nitrogen may be produced for direct sale, or as a byproduct of manufacture of liquid oxygen used for industrial processes such as steelmaking. Liquid air plants producing on the order of tons per day of product started to be built in the 1930s but became very common after the Second World War; a large modern plant may produce 3000 tons/day of liquid air products.