Температура жидкого азота и его свойства¶

Температура жидкого азота — это значение температуры, при котором азот переходит в жидкое состояние, то есть его температура кипения при нормальном атмосферном давлении. Для азота (N₂) эта величина составляет −195,8 °C, или 77,4 К (кельвина). Жидкий азот представляет собой бесцветную, прозрачную, подвижную жидкость без запаха, которая относится к классу криогенных жидкостей — веществ, существующих в жидкой фазе при температурах ниже −150 °C. Именно крайне низкая температура делает жидкий азот одним из наиболее доступных и широко применяемых хладагентов в науке, технике и медицине.

¶Физические основы

Азот — основной компонент атмосферы Земли, составляющий около 78 % её объёма. В нормальных условиях это двухатомный газ без цвета и запаха. Переход в жидкое состояние происходит при охлаждении ниже критической температуры, которая для азота равна −146,9 °C (126,2 К). Выше этой точки вещество не может быть сжижено никаким повышением давления.

Ключевые температурные параметры азота:

При атмосферном давлении жидкий азот кипит при −195,8 °C, и именно это значение обычно имеют в виду, говоря о «температуре жидкого азота». Если давление повышается, температура кипения растёт; при понижении давления она снижается. Так, при откачивании паров над жидкостью можно получить твёрдый азот при температуре около −210 °C.

Плотность жидкого азота при температуре кипения составляет примерно 0,808 г/см³, то есть он легче воды. При испарении 1 литра жидкости образуется около 700 литров газа при нормальных условиях — это важное свойство учитывается при хранении и транспортировке.

¶История получения

Сжижение газов стало возможным во второй половине XIX века благодаря работам физиков по охлаждению и сжатию газов. В 1883 году польские учёные Зигмунт Врублевский и Кароль Ольшевский впервые получили жидкий азот в измеримых количествах, применив метод каскадного охлаждения. Их эксперименты с жидким кислородом и азотом положили начало криогенике как отдельной области физики и техники.

В России исследования низких температур развивались в конце XIX — начале XX века. Значительный вклад в криогенную технику внёс ряд физических школ, занимавшихся изучением свойств веществ при сверхнизких температурах. В советский период были созданы промышленные установки для разделения воздуха и получения жидкого азота в больших объёмах.

¶Способы получения

В промышленности жидкий азот получают методом разделения воздуха — криогенной ректификацией. Воздух сжимают, охлаждают и поэтапно разделяют на компоненты, используя разницу температур кипения: азот кипит при −195,8 °C, а кислород — при −183 °C. Более летучий азот испаряется первым и отбирается в виде отдельной фракции.

Существуют и лабораторные способы, основанные на использовании эффекта Джоуля — Томсона или машин Стирлинга. Небольшие генераторы жидкого азота применяются в медицинских и научных учреждениях, где нет централизованных поставок.

¶Хранение и обращение

Жидкий азот хранят в специальных сосудах Дьюара — термоизолированных ёмкостях с двойными стенками, между которыми создан вакуум. Такая конструкция минимизирует теплоприток. Даже в сосуде Дьюара часть жидкости постоянно испаряется; потери составляют от долей процента до нескольких процентов в сутки в зависимости от объёма сосуда.

При работе с жидким азотом соблюдают меры безопасности. Попадание жидкости на кожу вызывает мгновенное обморожение; пары азота вытесняют кислород, поэтому в замкнутых помещениях возможно удушье без предупреждающих признаков. Кроме того, при испарении в закрытом объёме резко возрастает давление, что требует использования предохранительных клапанов.

¶Применение

Благодаря низкой температуре и химической инертности жидкий азот нашёл широкое применение:

• Медицина. Криотерапия и криохирургия — удаление новообразований, лечение кожных заболеваний. Жидкий азот используют для хранения биологических образцов: крови, спермы, эмбрионов, стволовых клеток в криобанках.
• Биология. Заморозка тканей и клеток для длительного хранения при температуре −196 °C, при которой практически останавливаются биохимические процессы.
• Пищевая промышленность. Быстрая заморозка продуктов, шоковая заморозка, приготовление мороженого молекулярной кухни.
• Техника и наука. Охлаждение сверхпроводящих магнитов, детекторов, датчиков; использование в качестве хладагента в вакуумных системах.
• Строительство. Замораживание грунтов при прокладке тоннелей и шахт в неустойчивых породах.
• Крионика. Заморозка тел человека и животных в надежде на будущее оживление — направление, вызывающее дискуссии в научном сообществе.

¶Значение и особенности

Температура жидкого азота удобна тем, что достигается относительно простыми техническими средствами и обеспечивает сохранение сверхпроводимости у ряда материалов, а также полную остановку биологических процессов. Азот не токсичен, не горюч и не поддерживает горение, что выгодно отличает его от многих других хладагентов. При этом его температура существенно выше, чем у жидкого гелия (−268,9 °C), что делает азот более дешёвым и доступным охлаждающим агентом.

Основное ограничение связано с необходимостью постоянного контроля испарения и вентиляции помещений. Тем не менее жидкий азот остаётся одним из самых распространённых криогенных веществ в мире.

Источники: справочные данные по физике низких температур, технические регламенты криогенного оборудования, материалы по истории сжижения газов.